在前馈电压模式中驱动步进电动机的方法和硬件系统技术方案

本发明专利技术为在前馈电压模式中驱动步进电动机的方法和硬件系统。本发明专利技术公开一种在前馈电压模式中驱动步进电动机的方法，该方法为了要施加到所述步进电动机的期望速度，将所述步进电动机的正弦相位电压的幅度设置成等于所述期望速度的函数中估计的预期反电动势（ＢＥＭＦ）幅度与相位电流（Ｉｐｈａｓｅ）的期望幅度和所述电动机阻抗的估计的绝对值之间的乘积之和。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于驱动电子电动机的技术，更具体来说涉及用于在前馈电压模式中 驱动步进电动机的方法和相关硬件系统。
技术介绍
步进电动机是按增量或步进移动而非像常规电子电动机那样平滑地转动的电子 电动机。当对步进电动机的绕组赋能时，生成磁场，并且步进电动机的转子旋转到某个位 置并保持在那里，除非或直到对不同的绕组赋能。一旦轴随着电流应用而进入静止，步进电动机就能够承受应用到轴的外部转矩。 此转矩通常称为保持转矩。当转子和定子场是正交(β =90° )时保持转矩是最大的，并 且一般它还根据位置而变化。此变化由定位转矩(detent torque)引起，其当电动机的轴 移动时加上电感应的转矩以及从电感应的转矩减去。所产生的转矩和定位转矩之间的差使得电动机旋转。为了避免失步旋转，必须施 加足够的电流以克服定位转矩。失步旋转可能导致电动机的停转(stall)。通常，实现所谓的电流模式驱动以用于驱动步进电动机。电流模式中的单片电路 运转的示例是以下器件:ST的L6208和L6228、Allegro的A3977、Trinamic的TMC236以及 Toshiba 的 TB62201。大多数电流模式控制电路使用PWM技术来调整相位电流。出于此原因，下文将对 PWM驱动模式进行参考，但是相同的考虑对于模拟驱动模式经必要的修正也是成立的。共电流模式驱动技术使用传感比较器将相位电流限制于参考峰值。这种类型的控 制也称为“PWM峰值电流控制”，并在图1中示出。通常，此控制受到由于电流纹波引起的误 差的影响，纹波的幅度受到例如电源桥(power bridge)的供应电压、相位电流电平、电动机 的电参数和PWM开关频率的大量因素的影响而几乎不可控制。在PWM峰值电流控制模式中，仅调整峰值电流值(即，峰值转矩值)，而非其平均 值。因此，由不可避免的电流纹波引入的不可预测和不可忽略的误差不允许用大量的微步 细分来实现驱动，因为转矩误差可能最终变得大于微步参考值之间的间隔。驱动无刷电动机的一种备选技术包括调节电动机的驱动电压以便控制应用到相 位负载的平均电压而非最大相位电流。此类型的控制能通过应用连续的电压或通过PWM驱动电源级(power stage)来实 现。在此情况中，当电动机处于静止或正在非常慢地移动(BEMF电压是可忽略的)时，平均 相位电压是Vphase =Vs-D其中D是应用到电动机相位的电压的占空比并且Vs是电源级的电压供应。平均 相位电流是3Iphase=尺S +尺L 尺S +尺厶 ^L其中&是负载电阻并且Rs是分流电阻器(如果使用的话)。以此方式，通过调整电源级的PWM占空比来调整平均相位电流。电压模式驱动的主要优点之一是驱动系统控制相位电流的平均值而非其峰值。在 图2中，示出电压模式驱动器的架构的基本方案。当电动机正在以高速运行并且BEMF不再是可忽略时，相位电流具有应用的相位 电压的相同频率和形状，并且与相位电压在相位上相差负载角。负载角表示定子磁场矢量 角和转子磁场矢量角之间的差，并且取决于负载转矩、保持转矩和速度。BEMF的幅度等于kE· 其中表示电频率并且kE是电动机的电常量。在电压模式驱动中，电流的幅度不具有固定值，但是当负载转矩变化时自适应于 负载状况，以便达到平衡状态。在电压模式中，将电流Irai联系到负载转矩的等式是Tlod(a) oc leq(a) · BEMF · coS(a)其中‘是两个相位电流的幅度的结果值，α表示“与...成比例”，α等于 π /2-β并且表示BEMF电压和等效电流之间的角度。在图3中，示出所产生的机械功率(与产生的转矩成比例)的时间图。即使电压模式驱动中的相位电流不是纯正弦的，正如它处于电流模式驱动中一 样，最终产生的转矩也不比对于正弦相位电流的情况更失真。其原因在于，如果作为最常见 的情况，BEMF不是正弦的(因为电动机几何形状远非完美规则的)，则在转子绕组上应用纯 正弦相位电流不能确保生成恒定的转矩。此外，电压模式驱动产生恒定幅度的相位电流的特性使得控制更为灵活，并且转 矩均勻性与用电流模式驱动获得的均勻性相当。步进驱动应用不利用电压模式驱动技术，因为许多显著缺点限制此类驱动方案的 有效性能。电压模式驱动中的问题在于当电动机的速度增加时由于BEMF电压而丢失有效平 均的产生的转矩。平均的产生转矩的此类不受控制的减小可能导致失步，甚至在加速期间 导致电动机的完全停转。此问题在步进电动机中是非常可能的，其中电常量Ke相对于其他 类型的电动机较大，并因此相对较小的速度足以生成可能导致失步的相对较大的BEMF电压。图4表示恒定加速期间电压模式中驱动的步进电动机的多种电参数。虚线曲线与 步进电动机的其他相位相关。遵循其中电流比(但电压比也)必须等于电动机速度的正切 的传统方案，要应用到两个相位上的最优电压波形仅在于分别具有90°度数相差的两个正 弦波形，以便对于每个转子角度总是获得相同的产生的转矩。就等效的电路而言，BEMF电压能由与相位电感串联的正弦电压生成器来表示，其 具有与电动机速度成比例的幅度和等于电动机速度的频率。BEMF的相位取决于定子与转子 场之间的负载角。图4示出增加的BEMF减小相位电流，对转子应用的转矩随着速度增加而减小。电 压模式方案的主要问题在于，产生的转矩可向下减小到定位转矩值，从而使得步进电动机 失步或完全停转。在电压模式中驱动的步进电动机中，相位电流的幅度与BEMF的幅度成反比。在 BEMF幅度与电动机的旋转速度成比例(| BEMFI = kE、，其中、是以Hz为单位的电动机 的电频率)的情况下，对于应用到每个相位绕组的电压的恒定幅度，当速度增加时相位电 流的幅度减小。这可能导致产生的转矩的减少，这样可能不足以克服定位转矩并可能导致 停转状况。在用于无刷电动机(BLDC)的电压模式控制系统中，实现所谓的V/F或k · f控制 技术以补偿感应的BEMF，但是无刷和步进电动机是彼此显著不同的-BLDC电动机主要设想用于在旋转时具有良好件能它们以相对高速来工作并且 定子磁通量与转子位置同步地来控制，以便调节负载角，从而将驱动效率最大化并减少转 矩脉动；-步讲电动机主要设想用于在精确采取角位置中具有良好件能它们以广范围的 速度(从若干小数的步/秒到几千步/秒)来工作，但它们的任务是在稳定状态中精确定 位而不失步。为了快速定位，它们可能要求以非常高的速度来运转，具有引起生成大BEMF 的所有问题。这些不同使得在驱动BLDC电动机中被有效使用的BEMF补偿的技术对于步进电动 机无效。此情况在图5中示出，其在步进频率Istep (电动机速度)的函数中示出特性相位 电流幅度的曲线图。这些波形报告分别在无补偿和有BLDC标准k 补偿的情况中在电压模式驱动下 最后所得到的相位电流，其中k因子是电动机的电常量KE。显然，即使使用k*f补偿，相位 电流的控制仍然远非可接受的，这是因为在较低速度的相位电流的大变化以及在速度增加 时相位电流的显著减少。
技术实现思路
已发现，在电压模式中驱动步进电动机同时显著地减少整个速度范围中定子绕组 中产生的相位电流的波动是可能的。此确定性的结果通过在具有适合的控制特性的前馈电压模式中驱动步进电动机 来获得。根据该创新方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在前馈电压模式中驱动步进电动机的方法，包括以下步骤：为了要施加到所述步进电动机的期望速度，将所述步进电动机的正弦相位电压的幅度设置成等于所述期望速度的函数中估计的预期反电动势（ＢＥＭＦ）幅度与相位电流（Ｉｐｈａｓｅ）的期望幅度和所述电动机阻抗的估计的绝对值之间的乘积之和。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：FG巴加雷利，V马拉诺，E波利，
申请(专利权)人：多拉股份公司，意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]