一种步进电机驱动装置及其驱动方法与流程

本发明涉及电机驱动器技术领域，特别涉及一种步进电机驱动装置及其驱动方法。

背景技术：

步进电机的驱动：是靠给步进电机的各相绕组以某种逻辑通以电流,实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。各相绕组电流通电逻辑变化一次，电机前进一个步距角。

步进电机驱动方式分为电压驱动和恒流驱动，电压驱动分为单电压恒压驱动和高低压驱动，单电压进行驱动是指在在步进电机进行绕组工作过程当中，用一个方向通过开启三极管之后，供电电压来对绕组进行供电，关断三极管绕组通过二极管卸放电路将绕组电流变为零，实现一个绕组的充电和放电。多个绕组进行一定逻辑进行提供电压，实现绕组电流变换。每个绕组通电变化一次，步进电机走一个步距角。该种方式是一种比较古老的电机驱动方式，现在基本不用了。

优点：电路简单，元件少、控制也简单，实现起来的话比较之简单方便；

缺点：必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理，步进电机的运转速度比较低速，电机震动比较大，发热大。

高低压驱动为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。高低压驱动的原理是，在电机运动到整步的时候使用高压控制，在运动到半步的时候使用低压控制，停止时也是使用低压来控制。

优点：高低压控制在一点程度上改善了震动和噪音，第一次提出细分控制步进电机的概念，同时也提出了停止时电流减半的工作模式。

缺点：电路相对恒电压驱动复杂，对三极管高频特性要求提高，电机低速仍然震动比较大，发热仍然比较大，现在基本上不使用这种驱动模式。

注：细分就是将一个线圈的充电和放电过程，分步实现，多少细分即表示为多少步。

恒流驱动分为模拟技术的恒流斩波及细分和数字技术恒流，电压驱动的改进目的，就是将绕组的电流在开启和关断的过程尽量平滑，从而减少噪音。为了电流平滑，初步采用了细分方法。

步进电机有一个相电流参数，恒流驱动原理就是在电机绕组打开电流(充电)和关闭电流放电的过程中，在对应的时刻，给线圈一个对应的恒流。

细分技术原理，为了减小绕组在充电和放电过程中电流不平滑，将绕组充电和放电过程分成几步来完成。步进电机在两个线圈都有一定电流的情况下，电机轴能按两个电流矢量停在一个步距角中间某个位置，理论上说，细分技术细分为n之后，步进电机能实现n等分步距角位置。

注：步进电机驱动，将一个外部输入脉冲的频率对应步距角细分之后的一步、脉冲个数对应细分之后转动角度对应起来。

模拟电路的恒流斩波及细分称：恒流斩波，是当前市场主流技术。在国内外绝大多数的用户通过这种方法自制步进电机驱动器用于产品上，或者由专门的步进电机驱动厂家将这个功能做成一个相对通用的模块提供给企业使用在产品上。几乎国外有名气的芯片厂家，都有这种技术的集成芯片，比如ti，st，东芝，micochip、allegro等等，国内有近几年开始有类似的集成芯片厂家，如中科微。

恒流斩波使用比电机的普通电压高出许多倍的供电电压供电，使用4个功率管形成桥驱动，对线圈实现正向和反向充电放电。通过控制斩波器的占空比，可以产生与普通电机电压与电流相等的平均电压和电流。斩波器通常由恒流调节设定，恒流控制可由开通或关断线圈上的输出电流获得。通过一个电流敏感电阻检测线圈上的峰值电流来完成，电流敏感电阻有效地串联在电机的线圈上。当电流增加时，在敏感电阻上的电压随之增加，并反馈到比较器中。在由参考输入给定的预定电压下，比较器重新输出一系列方波，从而控制4个功率管的开关，直到时钟晶振触发一个使三极管再一次被打开得方波信号。

恒流斩波控制优点：无论电源电压如何改变，都可以精确控制电机绕组电流。并且提供的最可能短的电流增加和转向时间。电源耗散与提供电流达到最小。噪音大大减小，转速一定程度上提高了，性能比前两种有很大的提高

缺点：对电路设计要求比较高，对电路抗干扰要求比较高，容易引起高频，烧坏驱动元件，对元件性能要求比较高，这也是驱动芯片挑选的一些参考条件。在低速的时候，很容易将绕组电流提升到预定值，即当步进电机转动一步后，下一步的需求还没有到来，线圈电流处在一个恒定值，发热量大，再到下一步运行指令来之后，整个电流的变化不连续，从而产生较大的噪音和震动。对绕组充电和放电的一些参数基本固定。

恒流斩波，在电机低速的时候效果较差。一个现有的芯片某些参数固定适用不同参数的电机也兼顾不到，所以出现了数字恒流技术，也可叫矢量控制。数字恒流技术的步进电机驱动器和恒流斩波一样是当前市场主流技术，市场基本为这两种驱动器。

数字恒流技术，在实现恒流的时候通过ad检测电机绕组电流和da或者pwm等数字方式设置输出电流，可以比较精准的控制电流，能根据未知参数电机实现一个电流闭环。电流闭环调节方案基本使用pid调节。同时在低速的时候，还可以将自动插补细分，使得低速电流变化更为平稳，减小噪音。所使用的功率管可以使用大电流和大体积，在中速的时候，能通过pid调节自动加长一些绕组充电时间，从而提供中高速的扭矩输出。

国内厂家，如雷塞、明志等。在国外有很多知名厂家，使用数字恒流，如德国tmc、韩国的奥托尼克斯、日本山社电机等，更有国外的amc，能自动校准电机参数从而算出自动适应不同电机参数所需要的pid参数。现状国外技术比国内性能更好，更成熟。

优点：运动控制模拟正弦波的特点，大大提高性能，运动速度和噪音都比较小，可以使用比较高的细分，是当前流行的控制方法，较大程度适应了不同参数电机。。

缺点：电路比较复杂，对电路中的干扰难以控制和理论要求相吻合，容易产生抖动，在控制形成正弦波的波峰和波谷，容易导致高频干扰，进而导致驱动元件发热或者由于频率过高而老化，这也是很多驱动器使用1年多的时候容易出现保护的主要原因。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种步进电机驱动装置及其驱动方法，其结构合理，尺寸一体，编码器和驱动电机参数一体。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种步进电机驱动装置，包括:步进电机和驱动器，所述驱动器安装在步进电机尾部，所述步进电机侧壁中线处固定设有磁铁，所述磁铁位于步进电机侧壁尾部边缘，所述驱动器内设有用于感应磁铁的角度传感器，所述步进电机靠近尾部的侧壁上连接有电机线，所述电机线与驱动器相连。

作为改进：所述步进电机尺寸为56mm×56mm×76mm。

作为改进：所述驱动器尺寸为56mm×56mm×15.5mm。

作为改进：所述驱动器两侧通过螺栓与步进电机的两侧相固定。

驱动方法为：选取固定步进电机后，将驱动器驱动参数调到与步进电机相匹配，然后根据所选步进电

机，在不同转速下调节驱动器输出对应不同的电流，使得驱动器的电流与步进电机的转速相匹配，最

终实现一种参数的步进电机对应匹配一种电流下的驱动器

本发明与现有技术相比优点在于：结构简单，驱动器和步进电机尺寸相同，形成一个整体，同时编码器的反馈一体，另外，驱动器的电阻、电感、电流灯参数与电机相同，这样更加能保护电机，增加电机寿命。

附图说明

图1为本发明一种步进电机驱动方法结构示意图；

附图标记对照表：

1-步进电机、2-驱动器、3-磁铁、4-角度传感器、5-电机线。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种步进电机驱动装置及其驱动方法，包括:步进电机1和驱动器2，所述驱动器安装在步进电机1尾部，所述步进电机1侧壁中线处固定设有磁铁3，所述磁铁3位于步进电机1侧壁尾部边缘，所述驱动器1内设有用于感应磁铁3的角度传感器4，所述步进电机1靠近尾部的侧壁上连接有电机线5，所述电机线5与驱动器2相连，步进电机1尺寸为56mm×56mm×76mm，驱动器2尺寸为56mm×56mm×15.5mm，驱动器2两侧通过螺栓与步进电机1的两侧相固定，并通过角度传感器4与磁铁3的相互感应，将驱动器2安装在正确的位置，其驱动方法为，选取固定步进电机后，将驱动器驱动参数调到与步进电机相匹配，然后根据所选步进电机，在不同转速下调节驱动器输出对应不同的电流，使得驱动器的电流与步进电机的转速相匹配，最终实现一种参数的步进电机对应匹配一种电流下的驱动器。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。