递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路与流程

1.本发明属于步进电机驱动技术领域，具体涉及一种递减关断时间的步进电机静音驱动方法和一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路驱动电路。


背景技术：

2.斩波恒流驱动是目前步进电机最常用的驱动方式，其驱动结构如图4所示。电路由电流检测(检流)电路、比较器、电流斩波控制电路和h桥功率电路组成。检流电路检测流过步进电机线圈实际电流，输入比较器与电流指令设置的目标电流比较，比较结果输入斩波恒流控制电路；电流斩波控制电路根据设定的关断时间和比较器结果控制h桥功率电路功率管打开或关断，使流过电机线圈的电流增大或减小。如图5所示，斩波恒流调节过程由多个电流滞回过程组成。在充电阶段，功率管正向打开。电机线圈电流逐渐增大，当达到设定的电流值时，充电结束电路进入衰减阶段；在衰减阶段，功率管反向打开，使流过电机线圈电流逐渐减小；持续衰减toff时间后，电路重新进入充电阶段。如此反复调节，使流过电机线圈的电流逐步稳定在设定电流值附近。
3.斩波恒流驱动采用闭环反馈控制，电流响应快，能使电机线圈电流快速稳定在设定值上。然而其固有的电流调节方式决定了电流稳定后会存在一个纹波,纹波的大小取决于ton与toff时间,在电流进入稳态后，ton时间的电流上升与toff时间的电流下降保持平衡。因此通过减小toff时间，提高斩波频率可以有效减小稳定后的台阶电流抖动。然而，一方面过高的斩波频率会增加功率电路的开关损耗；另一方面步进电机台阶切换会存在机械震荡，过小电流滞回调节幅度也会影响步进电机位置稳定速度。
4.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路，其替换固定的衰减时间toff控制方式，改善传统斩波恒流驱动方案在电机低转速下台阶电流波动过大问题，使步进电机在低转速下也能更静音运转。
6.本发明的另一目的在于提供递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路，在传统固定关断时间(toff)电流斩波驱动方案的基础上增加了递减关断时间控制电路，对电流斩波的关断时间进行控制，即电路按正常固定关断时间(toff)的电流斩波方式调节驱动电流，但每隔一段时间电流斩波的关断时间(toff)减小，这样在渐次递减关断时间(toff)的电流斩波方式调节下，达到设定的电流值。相比传统固定关断时间(toff)电流斩波驱动方案，采用本发明提出的递减关断时间(toff)电流斩波驱动方案，驱动电流响应更快，稳定后电流文波更小，有效改善了固定关断时间电流斩波驱动方案在低转速下台阶电流文波过大问题。
7.为达到以上目的，本发明提供一种递减关断时间的步进电机静音驱动方法，用于改善电机在低转速下台阶电流波动过大的问题，包括以下步骤：
8.步骤s1：输入的电流指令一路传输到比较器并且作为比较器的负极输入信号，电流检测电路实时检测流过步进电机的线圈的实际电流并且将检测获得的电流值作为比较器的正极输入信号，以使得比较器进行比较，从而输出对应的状态到电流斩波控制电路；
9.步骤s2：电流斩波控制电路根据递减关断时间控制电路提供的关断时间参数和比较器输出的状态控制h桥功率电路的(打开时间和)关断时间，以使得流过步进电机的线圈的电流增大或减小，并且在控制多次关断时间后将电流斩波滞回幅值逐次减小，从而实现依次减小波纹的驱动电流，进而降低步进电机在低转速下台阶电流的波动。
10.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s2具体实施为以下步骤：
11.步骤s2.1：输入的电流指令另一路传输到递减关断时间控制电路的指令切换电路，以判断输入的电流指令的是否发生变化，当检测到输入的电流指令与自身的寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，则输出新的电流指令开始的指示信号到递减关断时间控制电路的关断时间设置电路；当检测到输入的电流指令与自身的寄存器暂存的上一时刻电流指令一致时，则输出电流指令保持不变的指示信号到关断时间设置电路；
12.步骤s2.2：比较器还将对应的状态输出到递减关断时间控制电路的电流稳态检测电路，以判断驱动电流滞回调节是否进入稳态平衡，当电流稳态检测电路判断当前驱动电流达到稳态指标时(包括电流斩波滞回调节次数达到设定次数(通过稳态计数器，可以是检测比较器输出信号的上升沿也可以是下降沿，为优选方案判断电流是否达到稳态指标)、电流斩波滞回调节持续时间到达设定时间和电流斩波滞回调节的时间周期保持不变等)，则将输出电流进入稳态平衡的指示信号传输到关断时间设置电路；
13.步骤s2.3：关断时间设置电路结合输入的初始关断时间参数tin、指令切换检测电路的输出(是否有输入新的电流指令)和电流稳态检测电路的输出(电流是否进入稳态平衡)，从而产生新的关断时间参数tout。
14.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s2.3具体实施为以下步骤：
15.步骤s2.3.1：关断时间设置电路初始设置的关断时间参数tout与初始关断时间参数tin相等；
16.步骤s2.3.2：关断时间设置电路每接收到电流稳态检测电路传输的电流进入稳态平衡的指示信号时，将输出的关断时间参数tout减小为上一次关断时间参数的预定比例(优选为减半)，从而依次减小驱动电流的波纹，直至输出的关断时间参数tout达到预定值(优选为tout＝tin/16)后保持不变，并且在每一次输出的关断时间参数tout发生变化时，电流稳态检测电路将电流进入稳态平衡的指示信号清除，稳态计数器重新开始计数；
17.步骤s2.3.3：关断时间设置电路每接收到指令切换检测电路传输的新的电流指令开始的指示信号时，将关断时间参数tout恢复到初始关断时间参数tin进行输出。
18.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤s2中，通过递减关断时间控制电路自动调节一个输入电流的指令周期内关断时间参数减小的次数，其中：
19.当步进电机转速越快，每个指令执行周期越短(越快使得关断时间参数达到预定值)，执行关断时间减小的次数越少；
20.当步进电机转速越慢，每个指令执行周期越长(越慢使得关断时间参数达到预定值)，执行关断时间减小的次数越多。
21.为达到以上目的，本发明还提供一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，包
括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，其中：
22.电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、h桥功率电路，输入的电流指令一路传输到比较器并且作为比较器的负极输入信号，电流检测电路实时检测流过步进电机的线圈的实际电流并且将检测获得的电流值作为比较器的正极输入信号，以使得比较器进行比较，从而输出对应的状态到电流斩波控制电路，电流斩波控制电路根据递减关断时间控制电路提供的关断时间参数和比较器输出的状态控制h桥功率电路的(打开时间和)关断时间，以使得流过步进电机的线圈的电流增大或减小，并且在控制多次关断时间后将电流斩波滞回幅值逐次减小，从而实现依次减小波纹的驱动电流，进而降低步进电机在低转速下台阶电流的波动；
23.递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，指令切换电路用于检测输入的电流指令是否发生变化并且将结果传输到关断时间设置电路，电流稳态检测电路用于判断驱动电流滞回调节是否进入稳态平衡将结果传输到关断时间设置电路，时间设置电路根据指令切换电路和电流稳态检测电路输出的结果向电流斩波控制电路提供对应的关断时间参数。
附图说明
24.图1是本发明的递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路的结构示意图。
25.图2是本发明的递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路的电流调节示意图。
26.图3是本发明的递减关断时间的步进电机静音驱动方法及其驱动电路的递减关断时间控制电路图。
27.图4是现有的电流斩波驱动电路图。
28.图5是现有的斩波恒流驱动电流调节示意图。
具体实施方式
29.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
30.在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的步进电机和电流指令等可被视为现有技术。
31.优选实施例。
32.本发明提供一种递减关断时间的步进电机静音驱动方法，用于改善电机在低转速下台阶电流波动过大的问题，包括以下步骤：
33.步骤s1：输入的电流指令一路(通过dac模块)传输到比较器并且作为比较器的负极输入信号，电流检测电路实时检测流过步进电机的线圈的实际电流并且将检测获得的电流值作为比较器的正极输入信号，以使得比较器进行比较，从而输出对应的状态到电流斩波控制电路；
34.步骤s2：电流斩波控制电路根据递减关断时间控制电路提供的关断时间参数和比较器输出的状态控制h桥功率电路的(打开时间和)关断时间，以使得流过步进电机的线圈的电流增大或减小，并且在控制多次关断时间后将电流斩波滞回幅值逐次减小(流过步进电机线圈电流的滞回区间越来越小)，从而实现依次减小波纹的驱动电流，进而降低步进电机在低转速下台阶电流的波动。
35.具体的是，步骤s2具体实施为以下步骤：
36.步骤s2.1：输入的电流指令另一路传输到递减关断时间控制电路的指令切换电路，以判断输入的电流指令的是否发生变化，当检测到输入的电流指令与自身的寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，则输出新的电流指令开始的指示信号到递减关断时间控制电路的关断时间设置电路；当检测到输入的电流指令与自身的寄存器暂存的上一时刻电流指令一致时，则输出电流指令保持不变的指示信号到关断时间设置电路；
37.步骤s2.2：比较器还将对应的状态输出到递减关断时间控制电路的电流稳态检测电路，以判断驱动电流滞回调节是否进入稳态平衡，当电流稳态检测电路判断当前驱动电流达到稳态指标时(包括电流斩波滞回调节次数达到设定次数(通过稳态计数器，可以是检测比较器输出信号的上升沿也可以是下降沿，为优选方案判断电流是否达到稳态指标)、电流斩波滞回调节持续时间到达设定时间和电流斩波滞回调节的时间周期保持不变等)，则将输出电流进入稳态平衡的指示信号传输到关断时间设置电路；
38.步骤s2.3：关断时间设置电路结合输入的初始关断时间参数tin、指令切换检测电路的输出(是否有输入新的电流指令)和电流稳态检测电路的输出(电流是否进入稳态平衡)，从而产生新的关断时间参数tout。
39.更具体的是，步骤s2.3具体实施为以下步骤：
40.步骤s2.3.1：关断时间设置电路初始设置的关断时间参数tout与初始关断时间参数tin相等；
41.步骤s2.3.2：关断时间设置电路每接收到电流稳态检测电路传输的电流进入稳态平衡的指示信号时，将输出的关断时间参数tout减小为上一次关断时间参数的预定比例(优选为减半)，从而依次减小驱动电流的波纹，直至输出的关断时间参数tout达到预定值(优选为tout＝tin/16)后保持不变，并且在每一次输出的关断时间参数tout发生变化时，电流稳态检测电路将电流进入稳态平衡的指示信号清除，稳态计数器重新开始计数；
42.步骤s2.3.3：关断时间设置电路每接收到指令切换检测电路传输的新的电流指令开始的指示信号时，将关断时间参数tout恢复到初始关断时间参数tin进行输出。
43.进一步的是，在步骤s2中，通过递减关断时间控制电路自动调节一个输入电流的指令周期内关断时间参数减小的次数，其中：
44.当步进电机转速越快，每个指令执行周期越短(越快使得关断时间参数达到预定值)，执行关断时间减小的次数越少；
45.当步进电机转速越慢，每个指令执行周期越长(越慢使得关断时间参数达到预定值)，执行关断时间减小的次数越多。
46.本发明还公开了一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，应用于所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动方法，包括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，其中：
47.电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、h桥功率电路，输入的电流指令一路传输到比较器并且作为比较器的负极输入信号，电流检测电路实时检测流过步进电机的线圈的实际电流并且将检测获得的电流值作为比较器的正极输入信号，以使得比较器进行比较，从而输出对应的状态到电流斩波控制电路，电流斩波控制电路根据递减关断时间控制电路提供的关断时间参数和比较器输出的状态控制h桥功率电路的(打开时间和)关断时间，以使得流过步进电机的线圈的电流增大或减小，并且在控制多次关断时间后将电流斩波滞回幅值逐次减小，从而实现依次减小波纹的驱动电流，进而降低步进电机在低转速下台阶电流的波动；
48.递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，指令切换电路用于检测输入的电流指令是否发生变化并且将结果传输到关断时间设置电路，电流稳态检测电路用于判断驱动电流滞回调节是否进入稳态平衡将结果传输到关断时间设置电路，时间设置电路根据指令切换电路和电流稳态检测电路输出的结果向电流斩波控制电路提供对应的关断时间参数。
49.本发明的原理为：
50.本发明提出的递减关断时间的斩波恒流静音驱动方案，电流调节过程和固定关断时间的斩波恒流驱动方案类似，其电流调节过程如图2所示，可以看作多段固定关断时间的斩波恒流电流调节过程的组合。由于输入斩波恒流控制环路的关断时间参数逐次减半，电流斩波滞回幅值也相应减小，从而实现更小纹波的驱动电流。其关断时间减半控制举例过程如下：
51.1)新电流指令开始，电路在初始设置的关断时间控制下斩波调节驱动电流。
52.2)检测驱动电流是否进入稳态平衡；
53.3)电流进入稳态平衡，toff时间减为1/2，在新关断时间控制下，继续稳定驱动电流。
54.4)重新检测驱动电流是否进入稳态平衡；
55.5)重复第3步；
56.6)以上过程重复4次，toff时间减为1/16；保持不再减半；
57.7)在任何时候，如果电流指令发生更新，则立即回到第1步控制。
58.本发明提出的递减关断时间驱动方法由递减关断时间控制电路实现，其结构如图3所示，由指令切换检测电路、电流稳态检测电路和关断时间设置电路组成。指令切换检测电路用于检测输入电流指令的变化。电路由一组寄存器和异或电路实现，当检测到输入电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，给出新指令开始指示信号。电流稳态检测电路用于检测驱动电流滞回调节是否进入动态平衡。电路由计数器和判断电路实现，计数器接收比较器的输出结果，每检测到一个上升沿计数器加1。当计数值达到设定的电流滞回次数时，则输出电流进入稳态的指示信号。新电流指令开始或关断时间减半后，电流稳态指示信号清除，计数器清零，重新开始计数。而关断时间设置电路则根据输入关断时间参数tin和指令切换检测电路与电流稳态检测电路的检测结果产生新的关断时间tout。首先，电路输出初始设置的关断时间参数：tout＝tin。之后，电路每检测到一次电流稳态指示信号，输出的关断时间参数减半一次：tout＝tout/2。直到输出的关断时间参数tout＝tout/16，则保持不变。在调节过程中，一旦接收到新指令开始指示信号，输出的关断时间恢复到
初始设置值tout＝tin。
59.本发明提出的递减关断时间(toff)的电流斩波驱动方案，只在关断时间参数设置路径上增加衰减时间控制电路，无需改变原有斩波恒流控制环路，实现简单。电路运行过程中无需额外参数修改控制，电路自动执行关断时间减半操作。另外电路能自动调节一个指令周期内关断时间减半次数。电机转速越快，每个指令执行周期越短，电路执行关断时间减半操作次数越少，甚至没有；电机转速越慢，每个指令执行周期越长，电路执行关断时间减半操作次数越多，直到关断时间达到设定的减半次数后保持不变。这种设计充分兼顾了步进电机对驱动电流响应速度和纹波的需求，在保证响应速度的前提下，减小了斩波恒流驱动方案的电流纹波，使驱动电流更精确的稳定在指令设定值附近，步进电机转动更平稳、静音。
60.关断时间设置电路包括移位器，输入电流斩波驱动环路的关断时间tout递减操作由移位器实现。每检测到load信号，关断时间tin更新到移位器，输出关断时间tout＝tin。每检测到shift信号，移位器下移移位，输出关断时间减半tout＝tout/2。寄存器和异或单元(电路)构成指令切换检测电路，当检测到输入电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，给出新指令开始指示信号load。电流稳态检测电路由稳态计数器实现，稳态计数器接收电流斩波驱动环路的比较器结果，每检测到一个上升沿计数器加1。当计数值达到设定的电流滞回次数m时，表示电流斩波调节进入了动态平衡，则输出移位信号shift。
61.值得一提的是，本发明专利申请涉及的步进电机和电流指令等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
62.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。