一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统技术方案

本发明专利技术实施例公开一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统。该控制系统基于恒流斩波数字细分控制方式来控制步进电机，在现有的恒流斩波控制方式上增加了控制单元的步距角细分，从而主备电源及步进方向的综合时序得到控制，不仅能够实现步进电机的恒流工作，步进电机在低频有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快、带负载能力强等优点，还能够实现在轨对日跟踪中的精密跟踪测量和高可靠性地连续工作。

A stepper motor control system based on constant current chopper subdivision

The embodiment of the invention discloses a stepper motor control system based on the constant current chopper subdivision. The control system of constant current chopper control mode based on digital subdivision control of stepper motor, the control unit of the stepper angle fraction increase in the existing constant current chopper control mode, main power supply and comprehensive sequence to step direction control, constant current can not only achieve the stepper motor, stepper motor low frequency constant torque output and high frequency operation of good performance, fast dynamic response, strong load capacity and other advantages, but also to achieve orbit on tracking precision tracking measurement and high reliability of continuous work.

【技术实现步骤摘要】
一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统
本专利技术涉及步进电机控制的
，具体涉及一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。
技术介绍
在航天领域的在轨对日跟踪过程中，步进式直流电机是常用的机械动力源。目前，步进电机的驱动方式主要包括三种。第一种驱动方式为单电压驱动，在一个方向对电机绕组进行通电驱动。单电压驱动方式需要在线圈回路中串联一个大阻值的电阻，从而改变电流上升时间，使得电流上升波形更加陡峭，以提高频率特性。单电压驱动方式的线路结构简单且成本低，但是需要额外的功耗，功耗大且电源效率低。第二种驱动方式为高低压切换驱动，在对绕组通电的同时接入高电压，使得高电压电流上升时间减小，从而加快电流建立的时间，在这之后再通入低电压以维持线圈电流。高低压切换驱动方式由于只需串联一个小阻值的电阻，相比较单电压驱动方式的额外功耗会很小。高低压切换驱动方式的转矩特性好、启动和运行频率高。由于在高低压切换过程时，电流波形会发生下凹，因此，高低压切换驱动方式的动态性能差、输出力矩下降、从而运行不够平稳。第三种驱动方式为恒流斩波控制驱动，采用闭环控制方法将相绕组反馈电流值与设定参考相电流值做比较，通过控制功率驱动管的开关，使电机无论在何种工作状态(即低频状态、高频状态、锁定状态)下，线圈的电流基本保持在给定电流值的附近。恒流斩波控制驱动采用的是控制相电流的方式，相比于单电压驱动方式和高低压切换驱动方式，恒流斩波驱动方式在低频时具有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快且带负载能力强的优势。由于步进电机的运行机制，步进电机运行过程中的振荡问题相当严重。当电机的定子的旋转磁场与转子的旋转磁场的方向不一致时，转子位置会与电流矢量失去联系，发生丢步和失步现象。步进电机在低速运转时，到达平衡位置后仍会存在多余动能，从而产生过冲，发生低频振荡现象。而且，当输入电脉冲的频率与电机本身固有的频率相同时，引发共振，发生低频共振现象。低频振荡现象会使得电机运行不平稳、精度下降、噪声变大且输出转矩下降，甚至会发生丢步和失步现象。步进电机的电磁转矩存在谐波分量，从而会引发步进电机的高频振荡。因此，针对现有的步进电机在驱动过程中存在的振荡问题，需要提供一种步进电机的驱动控制系统以抑制振荡现象，从而抑制丢步、噪声大问题和提高精度。
技术实现思路
针对现有步进电机的驱动方式所存在的振荡问题，本专利技术实施例提出一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。该控制系统基于恒流斩波方式实现滚动方向和偏航方向的步进电机的恒电流输出，再通过细分步距角的方式，提升电机转角分辨率，从而提高电机固有的频率。该基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统的具体方案如下：一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，包括控制单元，用于根据需求输出相应的控制信号；主备电源切换模块，所述主备电源切换模块的第一端与所述控制单元连接，所述主备电源切换模块的第二端与步进电机连接，用于实现步进电机的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的切换；方向控制模块，所述方向控制模块的第一端所述控制单元连接，所述方向控制模块的第二端与步进电机连接，用于控制步进电机在滚动维度和偏航维度的运行方向；细分输出模块，与所述控制单元连接，用于输出不同方向的细分电压；恒流闭环控制模块，所述恒流闭环控制模块的输入包括所述细分输出模块的输出信号以及步进电机的反馈信号，所述恒流闭环控制模块的输出信号输出至步进电机，用于实现步进电机的恒流工作。优选地，所述控制单元与所述主备电源切换模块组成主备电源切换控制回路，所述主备电源切换控制回路包括所述控制单元、继电器组、输出缓冲单元和稳压二极管。优选地，所述继电器组采用并串结构的磁保持继电器。优选地，所述恒流闭环控制模块包括第一比较器、单稳态触发器、第二比较器、电流反馈电路和放大调整电路。优选地，所述第一比较器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述第二比较器的第一输入端连接所述单稳态触发器的输出端，所述第二比较器的第二输入端输入电压基准，所述第二比较器的输出端连接步进电机，步进电机通过所述电流反馈电路将反馈信号输入至所述放大调整电路，所述放大调整电路的输出端连接第一比较器的第二输入端。优选地，所述恒流闭环控制模块的闭环反馈表达式如公式1至公式3所示：公式1:公式2：VDA-SET＝Isample×Rsample公式3：Isample＝Ix×377(μA/A)其中，DDA-SET为数模转换器的实际设置值，DDA-ref为参考电压对应的数模转换器的设置码值，Vref为数模转换器的参考电压，VDA-SET为数模转换器的输出电压值，Isample为步进电机的采样电流值，Rsample为电流采样电阻，Ix为步进电机在X相的工作电流。优选地，所述细分输出模块的不同方向的细分电压包括X方向的电压和Y方向的电压。优选地，细分输出模块采用基于三角函数矢量叠加的转角细分，使得X相电流按照余弦规律变化，Y相电流按照正弦规律变化。优选地，所述细分输出模块对步进电机的距角进行64细分。优选地，其特征在于，所述步进电机包括用于驱动所述步进电机运转的驱动芯片。从以上技术方案可以看出，本专利技术实施例具有以下优点：本专利技术实施例提供一种力基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。该控制系统基于恒流斩波数字细分控制方式来控制步进电机，在现有的恒流斩波控制方式上增加了控制单元的步距角细分，从而主备电源及步进方向的综合时序得到控制，不仅能够实现步进电机的恒流工作，步进电机在低频有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快、带负载能力强等优点，还能够实现在轨对日跟踪中的精密跟踪测量和高可靠性地连续工作。附图说明图1为本专利技术实施例中提供的一种步进电机控制系统模块示意图；图2为图1所示实施例中提供的一种主备电源切换控制回路示意图；图3为图2所示实施例中提供的一种继电器组设计思路示意图；图4(a)为图3所示实施例中提供的一种继电器组工作原理示意图；图4(b)为图4(a)所示实施例中提供的一种继电器组实现电路示意图；图5为图1所示实施例中提供的一种反馈闭环控制设计模块示意图；图6(a)为图5所示实施例中提供的一种单稳态触发器电路示意图；图6(b)为图6(a)所示实施例中提供的一种单稳态触发器设计思路示意图；图7为本专利技术实施例中提供的一种步进电机细分控制思路示意图；图8为本专利技术实施例中提供的一种步进电机两相恒流合成效果示意图；图9为本专利技术实施例中提供的一种步进电机距角64细分及合成效果示意图；图10为本专利技术实施例中提供的一种步进电机增加方向控制后的输出效果示意图。附图中的标记说明：100、控制系统10、控制单元20、细分输出模块30、主备电源切换模块40、方向控制模块50、恒流闭环控制模块60、步进电机33、电阻31、稳压管35、继电器组62、驱动芯片351、第一磁保持继电器352、第二磁保持继电器353、第三磁保持继电器354、第四磁保持继电器51、第一比较器53、单稳态触发器55、第二比较器52、放大调整电路54、电流反馈电路57、电压基准具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：控制单元，用于根据需求输出相应的控制信号；主备电源切换模块，所述主备电源切换模块的第一端与所述控制单元连接，所述主备电源切换模块的第二端与步进电机连接，用于实现步进电机的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的切换；方向控制模块，所述方向控制模块的第一端所述控制单元连接，所述方向控制模块的第二端与步进电机连接，用于控制步进电机在滚动维度和偏航维度的运行方向；细分输出模块，与所述控制单元连接，用于输出不同方向的细分电压；恒流闭环控制模块，所述恒流闭环控制模块的输入包括所述细分输出模块的输出信号以及步进电机的反馈信号，所述恒流闭环控制模块的输出信号输出至步进电机，用于实现步进电机的恒流工作。

【技术特征摘要】
1.一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：控制单元，用于根据需求输出相应的控制信号；主备电源切换模块，所述主备电源切换模块的第一端与所述控制单元连接，所述主备电源切换模块的第二端与步进电机连接，用于实现步进电机的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的切换；方向控制模块，所述方向控制模块的第一端所述控制单元连接，所述方向控制模块的第二端与步进电机连接，用于控制步进电机在滚动维度和偏航维度的运行方向；细分输出模块，与所述控制单元连接，用于输出不同方向的细分电压；恒流闭环控制模块，所述恒流闭环控制模块的输入包括所述细分输出模块的输出信号以及步进电机的反馈信号，所述恒流闭环控制模块的输出信号输出至步进电机，用于实现步进电机的恒流工作。2.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述控制单元与所述主备电源切换模块组成主备电源切换控制回路，所述主备电源切换控制回路包括所述控制单元、继电器组、输出缓冲单元和稳压二极管。3.根据权利要求2所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述继电器组采用并串结构的磁保持继电器。4.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述恒流闭环控制模块包括第一比较器、单稳态触发器、第二比较器、电流反馈电路和放大调整电路。5.根据权利要求4所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述第一比较器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述第二比较器的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宝奇，方伟，叶新，杨东军，隋龙，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22