一种高性能步进电机微步细分编码方法技术

本发明专利技术涉及步进电机控制技术领域，具体为一种高性能步进电机微步细分编码方法，其能够有效提高PWM波形调制精确度，并且减小步进电机在运行中的音频噪声与H桥产生的电磁辐射，将微步细分波形拆分为两组幅值减半且相位相反的波形，采用随机方向斜波模块进行斩波编码输出PWM波形，当微步细分波形幅值增大时，降低斩波频率，但不低于音频频率的上限。但不低于音频频率的上限。但不低于音频频率的上限。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能步进电机微步细分编码方法


[0001]本专利技术涉及步进电机控制
，具体为一种高性能步进电机微步细分编码方法。

技术介绍

[0002]步进电机在工业控制、家用电器等领域有着非常普遍的应用，为了避免步进电机在运行过程中发生震动、噪声等问题，大部分步进电机都采用了微步细分驱动方式。该方式将原有的单步运行进一步细分为正弦波。常见的方式有32、64、128或256微步细分，即：将360度电机旋转角度细分为32、64、128或256份，这种细分是按照正弦方式进行，从而获得平滑的步进电机旋转效果，如图1所示，但是，图1的控制信号无法直接被驱动步进电机的H桥所使用。H桥如图2所示，四个MOS管（201~204）组成了驱动电机线圈的H桥。当H桥工作时，MOS管201~204成对交替导通，由于电机的感性负载特性，获得连续的电流波形，电机负载中流过的电流波形接近图1中所示的微步细分波形。因为组成H桥的MOS管需要由开关信号组成的PWM驱动波形进行驱动，而图1中的微步细分波形就需要进行PWM编码。
[0003]实际应用中，H桥在PWM驱动信号激励下，驱动高性能步进电机运行在微步细分状态下有以下三个关键性能要求：精确性；即编码完成的PWM驱动信号在驱动H桥时，要能够获得与编码前的数字微步细分波形一致的电流波形；低噪声；由于人耳可以听到的噪声范围为20~20kHz，所以驱动H桥的PWM信号频率要高于20kHz，从噪声角度上讲，这个频率越高越好。但由于受到其他因素（如：调制精度、死区时间、EMI）的制约，提高PWM频率会受到限制；低EMI；由于组成H桥的MOS管均处于开关工作状态，它们在工作过程中容易产生电磁干扰，从而影响到板级系统中其他器件的工作，尽量降低H桥的EMI也成为微步细分编码的一个重要目标。
[0004]常用的PWM编码方式如图3所示，也称之为斩波编码方式，即用一个固定频率的斜波或三角波去调制图1中所示的微步细分波形。如图3所示，301为图1中的微步细分波形，302为固定频率的斜波，其斩波的结果为303，即为可以直接用于驱动H桥MOS管201、204的PWM波。图中的304为H桥另一对MOS管（202、203）的驱动电压，由图3可以看出，当301为正时，图2中H桥MOS管201、204（驱动信号303）处于驱动状态，另一边MOS管202、203的驱动状态（驱动信号304）为零，即简单的拉到地；而当301为负值时，则驱动信号303、304则处于相反的状态。
[0005]实际应用中，图3所示的常用PWM编码方式有以下缺点：首先，由于死区时间的存在，在微步细分波形处于极大值或极小值的时候容易产生畸变，这个现象如图4所示，其中401为微步细分波形，402为斩波后的PWM波，403、404分别为H桥中两个上管的实际驱动波形。由于死区时间的限制，在一些间隙非常窄的脉冲部分，如：410~413位置对应的403、404实际驱动波形，就会产生与斩波编码402不同的驱动波形，
这些差异就是由于死区时间而产生的波形畸变，这些畸变导致H桥电流波形发生饱和现象；其次，由于常用PWM编码采用了固定频率的斩波方式，导致其PWM波形存在某段时间频率低于斩波频率，如：图4中的420区域，以及上述410~413区域，从而导致在这些位置，驱动信号频率可能会降低到音频区间，从而导致步进电机产生音频噪声。虽然升高斩波频率能缓解噪声问题，但过高的斩波频率会导致斩波编码精度下降和上述死区时间引起的波形畸变；最后，从图3可以看出，常用PWM编码在处理同样幅值的微步细分波形时，其编码结果总是一致的，这就容易导致H桥的电磁辐射频谱中能量总是集中在固定的频带，从而导致更大的电磁辐射，即：EMI问题。

技术实现思路

[0006]为了解决现有H桥驱动过程中PWM波形调制精确度低，步进电机运行时音频噪声和电磁辐射高的问题，本专利技术提供了一种高性能步进电机微步细分编码方法，其能够有效提高PWM波形调制精确度，并且减小步进电机在运行中的音频噪声与H桥产生的电磁辐射。
[0007]其技术方案是这样的：一种高性能步进电机微步细分编码方法，其特征在于，将微步细分波形拆分为两组幅值减半且相位相反的波形，采用随机方向斜波模块进行斩波编码输出PWM波形，当微步细分波形幅值增大时，降低斩波频率，但不低于音频频率的上限。
[0008]其进一步特征在于，随机方向斜波模块包括微步细分波形输入模块，微步细分波形输入模块连接随机斜波方向选择器的输入端，随机斜波方向选择器的输出端连接正向斜波模块和负向斜波模块，正向斜波模块和负向斜波模块连接PWM波形输出模块。
[0009]采用本专利技术后，由于幅值降为一半，在同样的斜波分辨率条件下可以采用更高的斩波频率，并且能够根据幅值来调整斩波频率，抑制死区时间带来的畸变；同时引入随机分配的方式，在相同的幅值时表现出不同的波形特征，从而有效分散了频谱中特定频率的能量，降低了电磁辐射的峰值强度，有效提高了PWM驱动信号精度的同时，降低了步进电机的音频噪声，也降低了电磁辐射强度。
附图说明
[0010]图1为现有微步细分波形示意图；图2为H桥原理图；图3为用一个固定频率的斜波或三角波去调制图1中所示的微步细分波形示意图；图4为现有PWM编码方式中死区时间产生畸变时示意图；图5为本专利技术的编码技术示意图；图6为本专利技术降低斩波频率示意图；图7为微步细分波形进行随机空隙分配示意图；图8为本专利技术编码方式波形示意图。
具体实施方式
[0011]见图5
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7所示，一种高性能步进电机微步细分编码方法，将微步细分波形拆分为两组幅值减半且相位相反的波形，
其中A为幅值，w为角速度，θ为相移；同时，将501与502平移到满幅值的二分之一处520，由于相当于501与502同时加二分之一满幅值，其PWM编码后的差分结果不变。在此基础上，同样采用斜波进行斩波编码。需要注意的是，由于501与502均为原微步细分波形的幅度的二分之一，就意味着可以用高一倍的斩波频率获得与常用PWM编码相同的编码精度。
[0012]在更高的斩波频率编码的同时，如果501、502波形运行到较高的幅值区间，如图5中的521、522、523区间，为了降低死区时间引发的畸变比例，编码系统将降低斩波频率。具体如图6所示，当微步细分波形601发生幅值增大时，编码系统会降低斩波频率（610、611），与图3相比，由于603中的零值（间隙）620相比死区时间仍然较大，所以会很大程度上抑制由于死区时间所带来的畸变。当然，斩波频率的降低以音频频率的上限为下限，即：高于20kHz。
[0013]虽然图6中随幅度调整斩波频率，对畸变现象有较大改善。但是从图6中可以看出，601的上升/下降部分的PWM波形603完全一致，这种重复性波形很容易导致频谱能量的集中，不利于降低H桥电磁辐射。本专利技术引入了随机空隙分配功能，采用随机方向斜波模块进行斩波编码输出PWM波形，具体如图7所示，720为微步细分波形输入模块，721为随机斜波方向选择器，通过随机选择正本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能步进电机微步细分编码方法，其特征在于，将微步细分波形拆分为两组幅值减半且相位相反的波形，采用随机方向斜波模块进行斩波编码输出PWM波形，当微步细分波形幅值增大时，降低斩波频率，但不低于音频频率的上限。2.根据权利要求1所述的一种高性能步...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海滨，马辉，
申请(专利权)人：无锡思泰迪半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：