一种高频力矩的步进电机驱动方法、系统及电路与流程

本发明属于步进电机驱动技术领域，尤其涉及一种高频力矩的步进电机驱动方法，同时，还提供一种高频力矩的步进电机驱动系统，同时，还提供一种高频力矩的步进电机驱动电路。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，现有技术存在在低成本条件下，高频力矩及响应不理想且低频功耗大的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种高频力矩的步进电机驱动方法、系统及电路，以解决上述背景技术中提出现有技术存在在低成本条件下，高频力矩及响应不理想且低频功耗大的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种高频力矩的步进电机驱动方法，包括：

驱动配置：建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；

若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内，通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压。

进一步，所述工作周期包括由高压输出周期和维持输出周期组成。

进一步，所述通过相应驱动电压的对应关系设置驱动电压包括：

若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；

若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

进一步，所述维持驱动电压为非零电压。

进一步，当低频工作时，若工作周期大于维持输出周期，则在步进电机工作于工作周期内维持输出周期，配置驱动电压为维持驱动电压；

当高频工作时，若工作周期小于维持输出周期，则配置驱动电压保持高压驱动电压。

进一步，所述驱动相序为循环依次驱动步进电机各绕组。

同时，本发明还提供一种高频力矩的步进电机驱动系统，包括驱动配置模块和电机驱动模块；

所述驱动配置模块用于建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；

所述电机驱动模块用于若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

同时，本发明还提供一种高频力矩的步进电机驱动电路，包括控制器和四相单极性步进电机驱动电路，所述控制器包括驱动配置模块和电机驱动模块；

所述控制器用于建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；

所述电机驱动模块用于若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

进一步，所述四相单极性步进电机驱动电路包括控制器；

所述控制器的第一驱动端驱动连接于第一绕组驱动电路的控制端，所述第一绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第二驱动端驱动连接于第二绕组驱动电路的控制端，所述第二绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第三驱动端驱动连接于第三绕组驱动电路的控制端，所述第三绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第四驱动端驱动连接于第四绕组驱动电路的控制端，所述第四绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端。

进一步，所述第一绕组驱动电路包括mosfet管md1，所述mosfet管md1的栅极连接于控制器的第一驱动端，所述mosfet管md1的源级连接于第一绕组一端，所述第一绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md1的漏极接地；

所述第二绕组驱动电路包括mosfet管md2，所述mosfet管md2的栅极连接于控制器的第二驱动端，所述mosfet管md2的源级连接于第二绕组一端，所述第二绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md2的漏极接地；

所述第三绕组驱动电路包括mosfet管md3，所述mosfet管md3的栅极连接于控制器的第三驱动端，所述mosfet管md3的源级连接于第三绕组一端，所述第三绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md3的漏极接地；

所述第四绕组驱动电路包括mosfet管d4，所述mosfet管d4的栅极连接于控制器的第四驱动端，所述mosfet管d4的源级连接于第四绕组一端，所述第四绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管d4的漏极接地；

所述第一绕组一端连接于电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端连接于续流二极管d1的正极，所述续流二极管d1的负极连接于驱动电压端；

所述第二绕组一端连接于电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端连接于续流二极管d2的正极，所述续流二极管d2的负极连接于驱动电压端；

所述第三绕组一端连接于电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端连接于续流二极管d3的正极，所述续流二极管d3的负极连接于驱动电压端；

所述第四绕组一端连接于电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端连接于续流二极管d4的正极，所述续流二极管d4的负极连接于驱动电压端。

本发明的有益效果为：

1、本专利采用驱动配置：建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内，通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压，所述工作周期包括由高压输出周期和维持输出周期组成，所述通过相应驱动电压的对应关系设置驱动电压包括：若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压，所述维持驱动电压为非零电压，当低频工作时，若工作周期大于维持输出周期，则在步进电机工作于工作周期内维持输出周期，配置驱动电压为维持驱动电压；当高频工作时，若工作周期小于维持输出周期，则配置驱动电压保持高压驱动电压，所述驱动相序为循环依次驱动步进电机各绕组，由于根据经验值预先建立了不同段频率与相应驱动电压控制码的对应关系表，并存入系统存储器。运行过程中依据当前工作频率，对应出每步周期t，再通过查表确定驱动电压控制代码，并由口p13--p10输出给可控电源，同时口p17--p14输出相序控制信号。另外，驱动电压uf建立时间t1决定了高压输出在每步驱动中所占的比例，t1时间到，则变成维持电压u0(低压)供电，从而实现了高低压驱动，因此，通过高低压驱动和驱动电压根据频率分段而调整相结合的控制策略，从而，实现高频力矩提升和低频功耗下降的目的。

2、本专利采用若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压，所述维持驱动电压为非零电压，由于实际应用中，将工作频率范围分成若干段，不同频率段对应不同的驱动电压值，频率越高驱动电压越大，由于步进电机每走一步驱动电压首先变高为uf，然后再变低为uo，即在电机启动时刻提供高电压，力矩保持阶段提供低电压，uf值高于uo值的目的为了使电机保持较高的动态转矩,经过t1时间后，驱动电压变成u0，以便给电机提供较低的维持转矩所需的电流。t1的值是固定的,当频率较低时t远远大于t1，此时电源输出的平均电压低，功耗也低，电机做的功低。当频率提高时，t减小，一个周期内u0电压在时间轴上所占比例减小，电源消耗的功率增大，电机做功较大，当t小于等于t1时，驱动电压为一个恒定值uf。从而实现了低频低功耗，高频高能量供给的优化驱动模式，避免了常用驱动电路低频热耗散大的缺点。

3、本专利步进电机绕组是感性负载，换相过程中驱动回路电流变化率越大，电机的动态响应速度越快，动态转矩越大。而电流变化率是与驱动电压成正比的。所以本控制方案大大提高了步进电机的高频转矩。

4、本专利提供的所述四相单极性步进电机驱动电路包括控制器；所述控制器的第一驱动端驱动连接于第一绕组驱动电路的控制端，所述第一绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第二驱动端驱动连接于第二绕组驱动电路的控制端，所述第二绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第三驱动端驱动连接于第三绕组驱动电路的控制端，所述第三绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第四驱动端驱动连接于第四绕组驱动电路的控制端，所述第四绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端，所述第一绕组驱动电路包括mosfet管md1，所述mosfet管md1的栅极连接于控制器的第一驱动端，所述mosfet管md1的源级连接于第一绕组一端，所述第一绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md1的漏极接地；所述第二绕组驱动电路包括mosfet管md2，所述mosfet管md2的栅极连接于控制器的第二驱动端，所述mosfet管md2的源级连接于第二绕组一端，所述第二绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md2的漏极接地；所述第三绕组驱动电路包括mosfet管md3，所述mosfet管md3的栅极连接于控制器的第三驱动端，所述mosfet管md3的源级连接于第三绕组一端，所述第三绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md3的漏极接地；所述第四绕组驱动电路包括mosfet管d4，所述mosfet管d4的栅极连接于控制器的第四驱动端，所述mosfet管d4的源级连接于第四绕组一端，所述第四绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管d4的漏极接地；所述第一绕组一端连接于电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端连接于续流二极管d1的正极，所述续流二极管d1的负极连接于驱动电压端；所述第二绕组一端连接于电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端连接于续流二极管d2的正极，所述续流二极管d2的负极连接于驱动电压端；所述第三绕组一端连接于电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端连接于续流二极管d3的正极，所述续流二极管d3的负极连接于驱动电压端；所述第四绕组一端连接于电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端连接于续流二极管d4的正极，所述续流二极管d4的负极连接于驱动电压端，由于四相单极性步进电机驱动电路，主要由mosfet、续流二极管、电阻组成。单片机i/o口输出信号ma、mb、mc、md为高电平时，相应的开关管mosfet导通，vout向对应的电机绕组供电。电路中为了减小驱动元件的压降，采用了具有低导通电阻特性的mosfet器件，利用二极管和电阻构成电机绕组的续流回路，避免了mosfet器件在换相时由于瞬间电压过高而击穿。

附图说明

图1是本发明一种高频力矩的步进电机驱动方法的流程图；

图2是本发明一种高频力矩的步进电机驱动电路的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

图中：

s101-建立步进电机驱动相序；

s102-建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；

s103-若驱动配置完成；

s104-根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机；

s105-若步进电机工作于工作周期内；

s106-通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压；

md1～md4-mosfet管，r1～r4-电阻，d1-d4-二极管。

实施例：

本实施例：如图1所示，一种高频力矩的步进电机驱动方法，包括：驱动配置：建立步进电机驱动相序s101并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系s102；

若驱动配置完成s103，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机s104，若步进电机工作于工作周期内s105，通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压s106。

所述工作周期包括由高压输出周期和维持输出周期组成。

所述通过相应驱动电压的对应关系设置驱动电压包括：

若步进电机工作于工作周期内s105高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；

若步进电机工作于工作周期内s105维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

所述维持驱动电压为非零电压。

由于采用若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压，所述维持驱动电压为非零电压，由于实际应用中，将工作频率范围分成若干段，不同频率段对应不同的驱动电压值，频率越高驱动电压越大，由于步进电机每走一步驱动电压首先变高为uf，然后再变低为uo，即在电机启动时刻提供高电压，力矩保持阶段提供低电压，uf值高于uo值的目的为了使电机保持较高的动态转矩,经过t1时间后，驱动电压变成u0，以便给电机提供较低的维持转矩所需的电流。t1的值是固定的,当频率较低时t远远大于t1，此时电源输出的平均电压低，功耗也低，电机做的功低。当频率提高时，t减小，一个周期内u0电压在时间轴上所占比例减小，电源消耗的功率增大，电机做功较大，当t小于等于t1时，驱动电压为一个恒定值uf。从而实现了低频低功耗，高频高能量供给的优化驱动模式，避免了常用驱动电路低频热耗散大的缺点。

当低频工作时，若工作周期大于维持输出周期，则在步进电机工作于工作周期内维持输出周期，配置驱动电压为维持驱动电压；

当高频工作时，若工作周期小于维持输出周期，则配置驱动电压保持高压驱动电压。

所述驱动相序为循环依次驱动步进电机各绕组。

由于采用驱动配置：建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内，通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压，所述工作周期包括由高压输出周期和维持输出周期组成，所述通过相应驱动电压的对应关系设置驱动电压包括：若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压，所述维持驱动电压为非零电压，当低频工作时，若工作周期大于维持输出周期，则在步进电机工作于工作周期内维持输出周期，配置驱动电压为维持驱动电压；当高频工作时，若工作周期小于维持输出周期，则配置驱动电压保持高压驱动电压，所述驱动相序为循环依次驱动步进电机各绕组，由于根据经验值预先建立了不同段频率与相应驱动电压控制码的对应关系表，并存入系统存储器。运行过程中依据当前工作频率，对应出每步周期t，再通过查表确定驱动电压控制代码，并由口p13--p10输出给可控电源，同时口p17--p14输出相序控制信号。另外，驱动电压uf建立时间t1决定了高压输出在每步驱动中所占的比例，t1时间到，则变成维持电压u0(低压)供电，从而实现了高低压驱动，因此，通过高低压驱动和驱动电压根据频率分段而调整相结合的控制策略，从而，实现高频力矩提升和低频功耗下降的目的。

同时，本发明还提供一种高频力矩的步进电机驱动系统，包括驱动配置模块和电机驱动模块；

所述驱动配置模块用于建立步进电机驱动相序s101并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系s102；

所述电机驱动模块用于若驱动配置完成s103，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机s104，若步进电机工作于工作周期内s105高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内s105维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

由于步进电机绕组是感性负载，换相过程中驱动回路电流变化率越大，电机的动态响应速度越快，动态转矩越大。而电流变化率是与驱动电压成正比的。所以本控制方案大大提高了步进电机的高频转矩。

同时，本发明还提供一种高频力矩的步进电机驱动电路，包括控制器和四相单极性步进电机驱动电路，所述控制器包括驱动配置模块和电机驱动模块；

所述控制器用于建立步进电机驱动相序s101并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系s102；

所述电机驱动模块用于若驱动配置完成s103，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机s104，若步进电机工作于工作周期内s105高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内s105维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压。

所述四相单极性步进电机驱动电路包括控制器；

所述控制器的第一驱动端驱动连接于第一绕组驱动电路的控制端，所述第一绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第二驱动端驱动连接于第二绕组驱动电路的控制端，所述第二绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第三驱动端驱动连接于第三绕组驱动电路的控制端，所述第三绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；

所述控制器的第四驱动端驱动连接于第四绕组驱动电路的控制端，所述第四绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端。

所述第一绕组驱动电路包括mosfet管md1，所述mosfet管md1的栅极连接于控制器的第一驱动端，所述mosfet管md1的源级连接于第一绕组一端，所述第一绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md1的漏极接地；

所述第二绕组驱动电路包括mosfet管md2，所述mosfet管md2的栅极连接于控制器的第二驱动端，所述mosfet管md2的源级连接于第二绕组一端，所述第二绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md2的漏极接地；

所述第三绕组驱动电路包括mosfet管md3，所述mosfet管md3的栅极连接于控制器的第三驱动端，所述mosfet管md3的源级连接于第三绕组一端，所述第三绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md3的漏极接地；

所述第四绕组驱动电路包括mosfet管md4，所述mosfet管md4的栅极连接于控制器的第四驱动端，所述mosfet管md4的源级连接于第四绕组一端，所述第四绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md4的漏极接地；

所述第一绕组一端连接于电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端连接于续流二极管d1的正极，所述续流二极管d1的负极连接于驱动电压端；

所述第二绕组一端连接于电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端连接于续流二极管d2的正极，所述续流二极管d2的负极连接于驱动电压端；

所述第三绕组一端连接于电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端连接于续流二极管d3的正极，所述续流二极管d3的负极连接于驱动电压端；

所述第四绕组一端连接于电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端连接于续流二极管d4的正极，所述续流二极管d4的负极连接于驱动电压端。

由于提供的所述四相单极性步进电机驱动电路包括控制器；所述控制器的第一驱动端驱动连接于第一绕组驱动电路的控制端，所述第一绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第二驱动端驱动连接于第二绕组驱动电路的控制端，所述第二绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第三驱动端驱动连接于第三绕组驱动电路的控制端，所述第三绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端；所述控制器的第四驱动端驱动连接于第四绕组驱动电路的控制端，所述第四绕组驱动电路的电源端连接于驱动电压端，所述第一绕组驱动电路包括mosfet管md1，所述mosfet管md1的栅极连接于控制器的第一驱动端，所述mosfet管md1的源级连接于第一绕组一端，所述第一绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md1的漏极接地；所述第二绕组驱动电路包括mosfet管md2，所述mosfet管md2的栅极连接于控制器的第二驱动端，所述mosfet管md2的源级连接于第二绕组一端，所述第二绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md2的漏极接地；所述第三绕组驱动电路包括mosfet管md3，所述mosfet管md3的栅极连接于控制器的第三驱动端，所述mosfet管md3的源级连接于第三绕组一端，所述第三绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管md3的漏极接地；所述第四绕组驱动电路包括mosfet管d4，所述mosfet管d4的栅极连接于控制器的第四驱动端，所述mosfet管d4的源级连接于第四绕组一端，所述第四绕组另一端连接于驱动电压端，所述mosfet管d4的漏极接地；所述第一绕组一端连接于电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端连接于续流二极管d1的正极，所述续流二极管d1的负极连接于驱动电压端；所述第二绕组一端连接于电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端连接于续流二极管d2的正极，所述续流二极管d2的负极连接于驱动电压端；所述第三绕组一端连接于电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端连接于续流二极管d3的正极，所述续流二极管d3的负极连接于驱动电压端；所述第四绕组一端连接于电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端连接于续流二极管d4的正极，所述续流二极管d4的负极连接于驱动电压端，由于四相单极性步进电机驱动电路，主要由mosfet、续流二极管、电阻组成。单片机i/o口输出信号ma、mb、mc、md为高电平时，相应的开关管mosfet导通，vout向对应的电机绕组供电。电路中为了减小驱动元件的压降，采用了具有低导通电阻特性的mosfet器件，利用二极管和电阻构成电机绕组的续流回路，避免了mosfet器件在换相时由于瞬间电压过高而击穿。

工作原理：

本专利通过驱动配置：建立步进电机驱动相序并建立其不同段频率与相应驱动电压的对应关系；若驱动配置完成，则根据不同段频率按驱动相序驱动步进电机，若步进电机工作于工作周期内，通过相应驱动电压的对应关系配置相应的高低压驱动电压，所述工作周期包括由高压输出周期和维持输出周期组成，所述通过相应驱动电压的对应关系设置驱动电压包括：若步进电机工作于工作周期内高压输出周期，则配置驱动电压为高压驱动电压；若步进电机工作于工作周期内维持输出周期，则配置驱动电压为维持驱动电压，所述维持驱动电压为非零电压，当低频工作时，若工作周期大于维持输出周期，则在步进电机工作于工作周期内维持输出周期，配置驱动电压为维持驱动电压；当高频工作时，若工作周期小于维持输出周期，则配置驱动电压保持高压驱动电压，所述驱动相序为循环依次驱动步进电机各绕组，由于根据经验值预先建立了不同段频率与相应驱动电压控制码的对应关系表，并存入系统存储器。运行过程中依据当前工作频率，对应出每步周期t，再通过查表确定驱动电压控制代码，并由口p13--p10输出给可控电源，同时口p17--p14输出相序控制信号。另外，驱动电压uf建立时间t1决定了高压输出在每步驱动中所占的比例，t1时间到，则变成维持电压u0(低压)供电，从而实现了高低压驱动，本发明解决了现有技术存在在低成本条件下，高频力矩及响应不理想且低频功耗大的问题，具有实现高频力矩提升和低频功耗下降、避免了常用驱动电路低频热耗散大、提高了步进电机的高频转矩、避免瞬间电压过高而击穿的有益技术效果。

利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。