控制步进电机的方法与线路结构技术

本发明专利技术涉及步进电机的驱动与控制技术，是采用时变频率的电机节拍序列来控制步进电机的各运行状态的方法和线路结构．为了产生时变频率，是用基节拍序列的固定频率除以一个常值的第一系数，再与一个时变的大小在零与第一系数之间的第二系数相乘．通过用一个分频系数对基节拍序列进行分频，由基节拍序列导出一个接收节拍序列．具有接收节拍序列频率的第二系数总是在各节拍时刻上改变一个预先规定的增量，该增量确定了每个节拍周期之电机节拍序列的频率变化．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及步进电机的驱动和控制
，特别是涉及为在各运行阶段控制步进电机需要建立具有可变频率的电机节拍序列。控制步进电机所需要的线路结构，通常是由一个节拍发送器、一个主控制级以及一个电机放大器组成。该节拍发送器以所希望的电机频率产生电机节拍序列。在主控制级中周期性地由具有电机频率的电机节拍序列一个接一个地产生开关脉冲。该电机放大器具有一个直流电压源和由开关脉冲控制的开关，这些开关与直流电压源和步进电机的定子绕组连接。通过电机频率周期性地转接这些开关，从而为步进电机的转子建立了旋转磁场，因此步进电机的转速或步进数依赖于电机的频率。每个步进电机均有一个与被耦合负载有关的极限频率，在该极限频率下只接入电机节拍序列时，步进电机不再是无步进误差地起动;而切断电机节拍序列时，步进电机也不再是一步不差地进入静止状态。因此，为了避免步进误差，特别是在步进频率比较高时，处于起动段的步进电机是通过逐渐把电机频率从较低的起动频率增大到工作段所希望的工作频率来加速的;然后通过降低电机频率，使步进电机在随后的制动段内按精确的步距停止。为此，节拍发送器必须提供这样一种电机节拍序列，其频率在起动段和制动段是随时间变化的，而在工作段内是固定不变的。为了产生具有时变频率的电机节拍序列，通常的节拍发送器例如-->都具有频率/电压变换器，这时频率的时间过程依赖于控制电压的时间过程。然而，采用这种频率/电压变换器的缺点是：该控制电压的过程必须要通过时间元件，例如电容器的充放电来复现。这种方法的代价很高，特别是当必须提供各种不同的频率过程时。此外，为使控制电压在工作段内准确地保持不变，并在起动段和制动段内还与其它控制参数同步也是相当困难的。由西德专利DE-A-2238613可知，还有另一类产生具有可变电机频率的电机节拍序列的方法，其中节拍发送器是由一个可产生具有固定基频之基节拍序列的节拍发生器以及一个后置的由双稳态触发器构成的分频级所组成。所需要的电机频率可在该分频级中通过对基节拍序列的基频的分频而获得;而时变的电机频率则通过按时间改变分频系数，例如利用时间元件来产生。由西德专利DE-C-2721240可知，还有另一类具有节拍发生器和分频级的节拍发送器，其中所需要的分频系数作为数据字被给定，这些数据字作为程序控制存放在一个固定值存储器中，且依赖于步进电机所执行的各步而输出，以利用最优的负载角来驱动步进电机。上述已知的这些具有常规结构分频级的现有节拍发送器，在按步切换分频级时会出现带有干扰的频率跳变。该频率跳变在小分频系数时特别大，所以是有干扰的。因此存在这样一种危险，即由于这种频率跳变，步进电机会产生步进误差或者完全错步。当需要接近固定基频的较高的电机频率时，总会出现小的分频系数。此外，随着电机频率的增加，步进电机的转矩会降低，从而增加了在频率跳变时产生步进误差或完全错步的危险。由于这种原因，最-->高电机频率的分频系数应尽可能的大，以使具有干扰的频率跳变保持足够的小。为了能满足这种要求，必须产生一个具有很高基频的基节拍序列，而这只能通过相当高的技术代价才能实现。因此，本专利技术，即通过具有时变频率（利用时变系数通过对基节拍序列的固定频率进行分频而获得）的电机节拍序列，在各个运行状态控制步进电机的方法，其特征在于：a）为产生时变频率，基节拍序列的频率除以一个固定的第一系数，再与一个时变的第二系数相乘，其中第二系数大于等于零，小于等于第一系数，b）由基节拍序列通过一个分频系数对基节拍序列之频率的分频产生一个接收节拍序列，c）第二系数以接收节拍序列之频率总是在各节拍时刻上改变一个预先规定的增量，该增量决定了在每个节拍周期内电机节拍序列的频率变化量的专利技术，其目的是给出驱动步进电机的一种方法和一种线路结构，采用这种方法和线路结构，在整个电机节拍序列频率范围内，使这种在原理上不可避免的频率跳变，既使在没有较高的基频时也能被保持到很小，而且还保证了步进电机无错步地可靠地起动和可靠地制动。下面将根据图1至图5对本专利技术予以详细说明。图1示出了一种步进电机的驱动线路（按技术状态）;图2示出了分频级的结构;图3示出了在步进电机各运行阶段中电机频率的变化曲线;图4示出了频率斜坡的图形说明;图5示出了频率斜坡的进一步说明。图1示出了步进电机之驱动线路方案的结构图（按技术状态）。该线路结构是由一个节拍发生器1、一个分频级2、一个电机控制级-->3、一个电机放大器4以及一个步进电机5所组成。节拍发生器1发出具有固定基频f0的基节拍序列T0，它通过导线6送给分频级2。在分频级2中，通过对具有固定基频f0的基节拍序列T0的分频，产生一个具有电机频率fm的电机节拍序列Tm，它又通过导线7进入电机控制级3。在电机控制级3中，例如利用环型计数器，从具有电机频率fm之电机节拍序列Tm中获得周期性相继出现的控制脉冲Ts1至Ts4，它们通过导线8送给电机放大器4。该电机放大器4是由一个可接通和断开的直流电压源9（用来产生电机电流）以及电子开关10和11（它们都按Ts1～Ts4控制脉冲动作）组成。步进电机5由一个转子12和一个定子组成，在定子的周围分布有定子绕组13和14。转子12是由构成若干极对的永久磁铁组成。开关10和11与直流电压源9以及步进电机5的定子绕组13和14相连接。为了建立步进电机5之转子12的旋转磁场，开关10和11由控制脉冲Ts1～Ts4周期性地以电机频率fm进行转换。其中，转子12或者步进电机5的转速取决于电机频率fm以及步进电机5的极对数。步进电机5起动段开始的起动命令以及制动段开始的停止命令，是由操作人员利用按键15a及15b送至分频级2。在分频级2中产生相应的控制命令，且通过导线16送给电机放大器4，并在电机放大器中相应地接通和断开直流电压源9，此处不再赘述。关于电机控制级3、电机放大器4以及步进电机5的详细结构和工作方式，因为这部分不是本专利技术的对象，而且是专业人员很熟悉的，可参考资料“步进电机的定位”（德文杂志，“电子技术”，55，第7期，1973.4.5，第18-22页）。-->本专利技术的对象是建立一种具有时变电机频率fm（t）（或称之为频率斜坡）的电机节拍序列Tm，用以在各个运行阶段中控制步进电机5。为此，在起动段中需要逐步升高电机频率，在工作段中需要固定的电机频率，而在制动段中则需要逐步降低电机频率。这种具有时变电机频率fm（t）的电机节拍序列Tm是在分频级2中生成的。图2示出了对应于本专利技术的分频级2的结构。它由一个主分频器级17、一个累加器级18、一个辅助分频器级19、另一个累加器级20以及一个控制级21所组成。下面详细阐明各级的结构和工作方式。主分频器级17由一个分频器22（输入端23、输出端24、可编程输入端25）及一个接在可编程输入端25上的存储寄存器26组成。根据本专利技术，分频器22具有下列结构特点，在输出端24上的输出频率faus是按（1）式通过将输入端23上的输入频率fein乘以倍乘因子qm而产生的：faus＝feinqm（1）倍乘因子qm存放在存储寄存器26中，它通过数据总线27送给分频器22的可编程输入端25，分频器22最好由一个得克萨斯仪器公司的SN7497型六位二进制速率乘法器构成，它与下列所有器件均可在市场上购本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过具有时变频率（利用时变系数通过对基节拍序列的固定频率进行分频而获得）的电机节拍序列，在各个运行状态控制步进电机的方法，其特征在于：ａ）为产生时变频率（ｆ↓［ｍ］，基节拍序列（Ｔ↓［０］）的频率（ｆ↓［０］）除以一个固定的第一系数（ｑ ｋ），再与一个时变的第二系数（ｑ↓［ｍ］相乘，其中０≤ｑ↓［ｍ］≤ｑ↓［ｋ］，ｂ）由基节拍序列（Ｔ↓［０］），通过用一个分频系数（ｑ＊）对基节拍序列（Ｔ↓［０］）之频率（ｆ↓［０］）的分频，产生一个接收节拍序列（Ｔ＊），ｃ）第二系数 （ｑ↓［ｍ］）以接收节拍序列（Ｔ＊）之频率（ｆ＊）总是在各节拍时刻上改变一个预先规定的增量（△ｑ↓［ｍ］），该增量决定了在每个节拍周期内电机节拍序列（Ｔ↓［ｍ］）的频率变化量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 1985-12-21 85116441.81、通过具有时变频率(利用时变系数通过对基节拍序列的固定频率进行分频而获得)的电机节拍序列，在各个运行状态控制步进电机的方法，其特征在于：a)为产生时变频率(fm)，基节拍序列(T0)的频率(f0)除以一个固定的第一系数(qk)，再与一个时变的第二系数(qm)相乘，其中0≤qm≤qk，b)由基节拍序列(T0)，通过用一个分频系数(qü)对基节拍序列(T0)之频率(f0)的分频，产生一个接收节拍序列(Tü)，c)第二系数(qm)以接收节拍序列(Tü)之频率(fü)总是在各节拍时刻上改变一个预先规定的增量(Δqm)，该增量决定了在每个节拍周期内电机节拍序列(Tm)的频率变化量。2、根据权利要求1的方法，其特征在于：第二系数的变化，也就是电机节拍序列（Tm）之频率（fm）的变化，是通过接通接收节拍序列（Tü）而开始，通过断开接收节拍序列而结束。3、根据权利要求1或权利要求2的方法，其特征在于：a）预先规定第二系数（qm）的常值分量（qmo），其在步进电机开始起动时确定了电机节拍序列（Tm）的起动频率（fms），b）在起动时通过在接收节拍序列（Tü）的各节拍时刻上，将增量（△qm）连续地迭加在常值分量（qmo）上来构成第二系数（qm），其关系如下：qm＝qmo+n△qm式中“n”是从起动开始所执行过的接收节拍序列（Tü）的节拍数。4、根据权利要求1至权利要求3之一的方法，其特征在于：在起动结束时第二系数（qm）停止变化，这时所达到的、决定步进电机工作频率的第二系数值（qma）在步进电机的工作期间被存储起来。5、根据权利要求1至权利要求4之一的方法，其特征在于：在步进电机制动期间的第二系数（qm），是通过在接收节拍序列（Tü）的各节拍时刻上，连续地从第二分频系数的存储值（qma）上减掉增量（△qm）来构成的，其关系如下：qm＝qma-n△qm式中“n”是从制动开始所执行过的接收节拍序列（Tü）的节拍数。6、根据权利要求1至权利要求5之一的方法，其特征在于：在接收节拍序列（Tü）之任一节拍时刻上的第二系数（qm），总是通过把在前一节拍时刻所形成的系数改变一个预先规定的增量（△qm）而形成的。7、根据权利要求1至权利要求6之一的方法，其特征在于：为产生线性频率变化的电机节拍序列（Tm），预先给定了一个固定的分频系数（qü）或者一个接收节拍序列（Tü）固定的频率（fü）。8、根据权利要求7的方法，其特征在于：用固定的分频系数值（qü）来调整电机节拍序列（Tm）之线性频率变化的斜率。9、根据权利要求1至权利要求8之一的方法，其特征在于：为了产生非线性频率变化的电机节拍序列（Tm），分频系数（qü）或者接收节拍序列（Tü...

【专利技术属性】
技术研发人员：于尔根多尔夫斯，
申请(专利权)人：鲁道夫赫尔工学博士股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]