一种步进电机细分驱动器的制作方法

本发明涉及电气领域，尤其涉及一种步进电机细分驱动器。

背景技术：

在发射车液压系统中，使用了两相步进电机来调节数字溢流阀和数字流量阀，实现液压系统压力和流量阀流量的自动控制。要驱动步进电机按规定的方向和步数转动，需设计专门的步进电机驱动器。

步进电机在低频运行时存在振荡并产生较大的电磁噪声，另外步进电机的固有步进角多在0.45～1.8°之间，在精密控制场合，用普通的方法驱动步进电机不能获得理想的步进控制精度。采用细分驱动技术能够提高步进电机的步距分辨率，减小转矩的波动，减小低频振荡，降低运行噪声，因此，步进电机需采用细分驱动技术。

目前，步进电机细分驱动器均采用集成度高的进口元器件进行设计，存在芯片禁运、软件后门等风险，导致武器装备的生存能力大打折扣，降低了发射任务的可靠性、安全性。

技术实现要素：

本发明旨在至少克服上述缺陷之一提供一种步进电机细分驱动器，以实现发射车控制系统的自主、可控，降低风险。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的一个方面提供了一种步进电机细分驱动器，包括：DSP控制器，DSP控制器输出PWM波；H桥驱动控制电路，连接DSP控制器，用于在PWM波控制下驱动功率驱动电路；功率驱动电路，包括两个H桥，每个H桥的接地端并分别连接采样电阻后接地，其中一个H桥用于驱动两相混合步进电机的A相，另一个H桥用于驱动两项混合步进电机的B相；采样电阻，用于采集相电流；电流放大、限幅、采样电路，用于将采集电阻采集到的相电流进行滤波、放大、限幅处理后输出到DSP控制器的ADC输入端；DSP控制器，用于通过ADC采集采样电阻采集的实际电流，将采集到实际电流与目标电流的大小进行比较，并根据比较结果调整待输出PWM波的占空比，并输出调整后的PWM波对功率驱动电路进行控制。

另外，步进电机细分驱动器还包括：CAN总线；CAN总线连接DSP控制器，用于传输对DSP控制器进行控制的控制信号。

另外，调整待输出PWM波的占空比包括：对带输出PWM波进行模糊PD调节；输出调整后的PWM波对功率驱动电路进行控制包括：输出调整后的PWM波控制两个H桥的电流，使步进电机的两相电流以阶梯正弦波的形式周期变换，驱动步进电机恒转矩转动。

另外，模糊PD调节包括：

其中,u(k)代表控制量，代表DSP控制器输出PWM波的占空比，范围是2％～98％；△u(k)为控制量变化量；i(k)为k时刻实际电流，通过DSP控制器内置ADC采集，m为运算放大增益，为6.061；i_d(k)为k时刻目标电流；e(k)为k时刻系统偏差，ec(k)为k时刻系统偏差变化量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够驱动步进电机按规定的方向和步数可靠转动，运行稳定，控制精度高，低频振荡小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种步进电机细分驱动器的结构示意图；

图2为步进电机两相绕组电流产生的合成磁场矢量图；

图3为五细分情况下的理想电流波形；

图4为模糊控制器的隶属度函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

鉴于各型号发射车控制系统均明确规定了元器件国产化率指标，因此，需要基于国产元器件设计国产化步进电机细分驱动器。本发明提供了一种实用的步进电机细分驱动器，内部电路全部采用国产军品元器件进行设计。该驱动器具有CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线接口，能够根据CAN总线的指令驱动步进电机按规定的方向和步数转动。本发明实施例提供的驱动器可靠性高，控制精度高，低频振荡小，在型号上具有较好的应用前景，对类似电路具有较好的借鉴价值。

图1示出了本发明实施例提供的一种步进电机细分驱动器的结构示意图，参见图1，本发明实施例提供的步进电机细分驱动器，包括：

DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)控制器，DSP控制器输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波；

H桥驱动控制电路，连接DSP控制器，用于在PWM波控制下驱动功率驱动电路；

功率驱动电路，包括两个H桥，每个H桥的接地端并分别连接采样电阻后接地，其中一个H桥用于驱动两相混合步进电机的A相，另一个H桥用于驱动两项混合步进电机的B相；

采样电阻，用于采集相电流；

电流放大、限幅、采样电路，用于将采集电阻采集到的相电流进行滤波、放大、限幅处理后输出到DSP控制器的ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)输入端；

DSP控制器，用于通过ADC采集采样电阻采集的实际电流，将采集到实际电流与目标电流的大小进行比较，并根据比较结果调整待输出PWM波的占空比，并输出调整后的PWM波对功率驱动电路进行控制。

另外，作为本发明实施例的一个可选实施方式，步进电机细分驱动器还包括：CAN总线；CAN总线连接DSP控制器，用于传输对DSP控制器进行控制的控制信号。

具体地，DSP控制器可以选择国产F2812DSP芯片。DSP控制器通过PWM波控制两个H桥，调整两相电流的大小和方向。在H桥的接地端，采用0.1欧姆精密采样电阻采集相电流，经滤波、放大、限幅处理后接到DSP控制器的片上ADC输入端，DSP控制器采集实际相电流后与目标电流大小进行比较，并据此调整输出PWM波的占空比，使实际电流跟随目标电流变化而变化。

功率驱动电路可以选择国产PWM电机功率驱动器。该驱动器是全H桥功率驱动电路，集成了H桥控制电路和VDMOS(Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor，纵向双扩散金属氧化物半导体场效应管)功率开关电路，该电路在PWM波控制下工作，在控制端，通过改变一路PWM波的占空比控制电流的大小与方向。控制端PWM占空比的范围为2％～98％，PWM输入信号占空比2％时电流为正向最大，50％时平均电流为0，98％时电流负向最大。

DSP控制器通过片上ADC采集采样电阻上的电压来获取步进电机的相电流，为了提高采集精度，并为了避免电压过大损坏DSP芯片，设计了由运放、肖特基二极管组成的放大、限幅电路，将采样电阻的电压值调理到DSP能接受的0～3V范围内。

具体地，可以采用国产DSP芯片作为主控芯片，采用H桥芯片作为功率驱动芯片。主控DSP芯片通过内部的ADC实时采样步进电机的两相相电流，依据电流矢量控制算法，通过对DSP输出的PWM波的占空比进行调节，进而控制两个H桥的电流，以使步进电机的两相电流以阶梯正弦波的形式周期变换，驱动步进电机恒转矩转动。其中，参见图2，当需要使步进电机顺时针旋转时，按顺时针顺序通电，产生顺时针的旋转磁场，带动转子顺时针转动。由于磁场矢量是由两相绕组中的电流控制的，精确地控制相电流便可以控制合成磁场矢量的幅度和角度。要使合成磁场矢量在空间上沿圆周旋转，需使A、B两相的电流按正弦规律变化，细分数越多，步距角越小，电流曲线越接近正弦曲线，因此，只需控制步进电机两相电流按图3所示变化，即可驱动步进电机细分转动。由此可见，作为本发明实施例的一个可选实施方式，调整待输出PWM波的占空比包括：对带输出PWM波进行模糊PD(Proportional，比例，Derivative，微分)调节；输出调整后的PWM波对功率驱动电路进行控制包括：输出调整后的PWM波控制两个H桥的电流，使步进电机的两相电流以阶梯正弦波的形式周期变换，驱动步进电机恒转矩转动。

优选的，模糊PD调节包括：

其中,u(k)代表控制量，代表DSP控制器输出PWM波的占空比，范围是2％～98％；△u(k)为控制量变化量；i(k)为k时刻实际电流，通过DSP控制器内置ADC采集，m为运算放大增益，为6.061；i_d(k)为k时刻目标电流；e(k)为k时刻系统偏差，ec(k)为k时刻系统偏差变化量。

为使各个目标电流下均能达到最好的控制效果，采用模糊控制方法对PD控制器的比例和微分系数进行在线自整定。根据调试过程形成的经验制定模糊控制规则，可以根据图4计算隶属度，对照模糊规则确定控制量后通过加权平均的方法进行去模糊化，得到最终校正后的K_p和K_d。

由此可见，通过本发明实施例提供的步进电机细分驱动器，能够根据CAN总线的指令驱动步进电机按规定的方向和步数可靠转动，运行稳定，控制精度高，低频振荡小。

另外，驱动器全部采用国产军品元器件进行设计，通过软硬件的国产化实现发射车控制系统的自主、可控，降低风险，并达到技术指标要求，能够完全替代进口产品，目前已应用到型号产品中，可靠性高，从技术上促进了武器系统的自主可控能力。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。