步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法及电路.pdf

本发明公开了一种步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法及电路，首先在单片机内建立两个标准正弦波电流数值表，然后通过单片机的开关键设定电机工作模式，单片机通过工作模式，得到采样间隔值，再根据电机的转动方向和采样间隔值，不断把电流数值表中的数值按采样间隔依次读取，并通过单片机的B口输出到D/A转换器，再经运算放大，得到两相幅值严格相等、相位差严格是2/3π的正弦波电流信号VOA和VOB，VOA、VOB经信号合成电路进行差分、相加、反相，最终产生出平滑驱动所需的三相幅值严格相等，相位差严格是2/3π的正弦波驱动电流，由于驱动电流严格符合要求并采取了防止电机换向时抖动的措施，大大提高了步进电机运行的平稳性。

1、  一种步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法，其特征在于：该电流信号产生的方法步骤如下：
①首先在单片机内建立两个标准正弦波的电流数值表，表1和表2，这两个正弦波表都是一个完整的周期2π，表1从sin(0)开始，到sin(2π)结束，表2从开始，到结束，在这两个表中，我们在每个表中取M个数值点，也就是一个完整的正弦波周期是由M个数值点组成，点数M根据工程实际，考虑加工的精度和效率在100～1000之间选择；
②根据实际加工需要，通过单片机的开关键预先设定电机工作模式，所谓工作模式不同，即所需电机的转速不同，也就是采样的间隔不同，一个转速对应一个工作模式，一个采样间隔；
③单片机复位后先判定出步进电机的工作模式，也就是电机实际的转速需要，即每转的步数，当有脉冲信号CP和电机转向逻辑控制信号CW输入时，单片机由CW电平的高低判定电机的转动方向，再根据电机的工作模式查表，得到采样间隔值，单片机根据电机的转动方向和采样间隔值，不断的把表中的数值按采样间隔依次读取，并通过单片机的B口输出到D/A转换器，通过D/A转换变成模拟量，再经过运算放大，即可得到两相幅值严格相等、相位差严格是的正弦波电流信号VOA和VOB；
④第三路信号由前面两路合成产生，先由信号合成电路对VOA与步进电机驱动模块电流反馈信号VOC差分得到VOA′，VOB与步进电机驱动模块电流反馈信号VOD差分得到VOB′，在VOA′和VOB′之间用一个加法器和一个反向器，就得到了第三相VOC′，假设VOA′为sin(α)，VOB′为sin(α+2π/3)，VOA′和VOB′两相的幅度均为1，则有：
sin ( α ) + sin ( α + 2 π / 3 ) = 2 sin ( α + α + 2 π / 3 2 ) cos ( α - α - 2 π / 3 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
= 2 sin ( α + π / 3 ) cos ( - π / 3 ) = sin ( α + π / 3 ) = - sin ( α + 4 π / 3 ) ]]>
sin(α+4π/3)＝-[sin(α)+sin(α+2π/3)]           (2)
这样就得到了第三相VOC′为sin(α+4π/3)，最终产生出平滑驱动所需的三相幅值严格相等，相位差严格是的正弦波驱动电流；
⑤当单片机检测到CW电平跳变后，A不再查1的数值，而是开始查表2的数值，B开始查表1的数值，查表的结果是B超前这样就达到了电机换向的目的。

2、  根据权利要求1所述的步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法，其特征在于：该方法还含有解决步进电机换向时抖动问题的方法，其步骤如下：
①当电机的转动方向改变时，假如电机停下来前是正转，停下来的时候A相保值为sin(0)到sin(2π)内的某一值，假如是表1中第200个点的值，B相保值为对应点数的到内的某一值，假如是表2中第200个点的值，将这两个值记下；
②然后在表2中找一个和表1中第200个点数值大小最接近点，在表1中找一个和表2中第200个点数值大小最接近点，同时满足它们在每个表中的位置相同，即表1是第几个点，表2也是第几个点，这样就可以保证电机转向后相位差仍然是完整的
③所述数值大小最接近点，采用的是逐次比较法，从表头一直比较到表尾，对应点的两个数值和我们记下的保值点的数字相差的绝对值和最小的点，就是所要寻找的点，电机反向的时候就从这个点处开始运行。

3、  一种步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生电路，其特征在于：该电路由单片机、D/A转换器、运算放大器、晶振和信号合成电路组成，步进电机的脉冲信号CP、转向信号CW、确定电机工作模式的开关键及晶振主频信号分别从单片机的P口输入，单片机的B口与D/A转换器的输入口相连，D/A转换器的输出口与运算放大器输入口相连，运算放大器输出的正弦波电流信号VOA和VOB与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOC、VOD分别输入到信号合成电路差分运放输入端。

4、  根据权利要求3所述的步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生电路，其特征在于：所述单片机为ATTINY2313，步进电机的脉冲信号CP、转向信号CW、及晶振主频信号分别从单片机的PD2、PD6、PAO口输入，确定电机工作模式的开关键为PD3、PD4、PD5；所述晶振为XTAL10MH有源晶振；所述D/A转换器为TLC7528，单片机的B口PB0～PB7分别接D/A转换器的4、3、2、1、20、19、18、17脚，其1脚经下拉电阻R1接地。

5、  根据权利要求3所述的步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生电路，其特征在于：所述D/A转换器为TLC7528，所述运算放大器为TL084B，D/A转换器的9、10、12、13脚分别接运算放大器的8、9、2、1脚，A相正弦波电流信号VOA从运算放大器的14脚输出，B相正弦波电流信号VOB从运算放大器的7脚输出。

6、  根据权利要求3所述的步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生电路，其特征在于：所述信号合成电路由差分电路(U-1)、(U-3)，加法器(U-2)和反相器(U-4)组成，其中A相正弦波电流信号VOA与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOC分别经电阻R4、R18接(U-1)的负端，B相正弦波电流信号VOB与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOD分别经电阻R11、R10接(U-3)的负端，VOA、VOB之间接有电阻R6、R9，VOC、VOD之间接有电阻R5、R8，它们的中点均接入加法器(U-2)的负端，差分电路(U-1)的输出端与输入负端之间接有电阻R19、电容C1、和电阻R20与电容C2的串接电路，(U-3)的输出端与输入负端之间接有电阻R12、电容C4、和电阻R13与电容C5的串接电路，加法器(U-2)输出端与输入负端之间接有电阻R7、电容C3，(U-2)输出端经电阻R17接反相器(U-4)的输入负端，(U-4)的输出端与输入负端之间接有电阻R16，(U-1)的输出为VOA′，(U-3)的输出为VOB′，(U-4)的输出为VOC′。

步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法及电路
技术领域
本发明涉及一种步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法及电路，属步进电机驱动技术领域。
背景技术
步进电机是一种将数字信号转换为位移(或直线位移)的机电执行元件，每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度，在数字控制系统中得到了广泛的应用，步进电机的运动性能和它的驱动器有着密切的关系，步进电机根据步进角的具体要求，通过改变定子绕组电流来实现，绕组电流给定采用经量化处理后的正弦波并分段切入，将绕组电流给定与反馈进行比较，并根据比较结果决定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流。
目前，步进电机大都用PWM信号来控制，但在产生PWM信号的前面一定要产生相位差是的三相正弦波的电流信号，且他们的幅度大小需严格相等，当三相正弦波的相位差不是严格的相差或者幅度大小不完全相等的时候，会对电机的平稳性能产生很大的影响，在现有的技术中，这种三相电流的产生大多是由模拟电路产生，不能严格保证三相电流的相位差是且他们的大小很难保证严格的相等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步进电机平滑驱动三相正弦波产生方法和电路，用以得到精确的步进电机三相电流，提高电机运行的平稳性能。
本发明的技术方案是：首先建立两个正弦波的电流数值表，这两个正弦波的表都是一个完整的周期2π，一个表是从sin(00)开始，到sin(2π)结束；另一个正弦波表是从开始，到结束。在这两个表中，我们在每个表中取M个数值点，也就是一个完整的正弦波周期是由M个数值点组成的，点数M根据工程实际，考虑加工的精度和效率可在100～1000之间选择。
单片机复位后先判定出步进电机的工作模式(也就是电机实际的转速需要，即每转的步数)，当有脉冲信号CP和方向逻辑控制信号CW(电机转向)输入时，单片机由CW电平的高低判定电机的转动方向，再根据电机的工作模式查表，得到采样间隔值，单片机根据电机的转动方向和采样间隔值，不断的把表中的数值按采样间隔依次读取，把表中的数值不停的通过单片机的B口输出到D/A转换器，通过D/A转换变成模拟量，再经过运算放大，即可得到两相幅值严格相等、相位差严格是的正弦波电流信号VOA和VOB。
第三路信号由前面两路合成产生，先由信号合成电路对VOA与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOC差分得到VOA′，VOB与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOD差分得到VOB′，在VOA′和VOB′之间用一个加法器和一个反向器，就得到了第三相VOC′，当前面生成的两相正弦波电流信号是幅度一样，相位差是严格的时，则第三相电流信号也是准确的，最终产生出平滑驱动所需的三相幅值严格相等，相位差严格是的正弦波驱动电流。
当单片机检测到CW电平跳变后，A不再查1的数值，而是开始查表2的数值，B开始查表1的数值，查表的结果是B超前这样就达到了电机换向的目的。
当电机的转动方向进行变换时，如果我们不控制，它的电流就会从两个表的表头开始，由于电机停下来的时候电流有保值的作用，这样电流很有可能出现较大的跳变，即电机反向运行的时候会产生抖动。
解决步进电机换向时抖动问题的方法步骤如下：当电机的转动方向改变时，假如电机停下来前是正转，停下来的时候A相保值为sin(0)到sin(2π)内的某一值(假如是表1中第200个点的值)，B相保值为对应点数的到内的某一值(假如是表2中第200个点的值)，将这两个值记下，
然后采用逐次比较法，在表2中找一个和表1中第200个点数值大小最接近点，即与我们记下的保值点的数字相差的绝对值和最小的点，同样，在表1中找一个和表2中第200个点数值大小最接近点，同时满足它们在每个表中的位置相同(即表1是第几个点，表2也是第几个点)，这样就可以保证电机转向后相位差仍然是严格的电机反向时，就从这个点处开始运行，由于保证了电流不跳变，也就保证了电机运行的平稳性。
与已有技术相比，本发明方法的有益效果表现在：
1、本发明方法精确的产生了幅度一样，相位差是精确三相正弦波电流信号，同时在换向的时候能够较好的找到和保值电流值最接近的点，解决了换向时候电机的抖动问题，使步进电机运行的平稳性得到较大的提高。
2、本发明的特点还在于可以根据实际加工需要，通过对单片机的开关口设置步进电机的工作模式来改变电机的转速，以适应不同的零件加工情况，从而使改变电机转速变得方便快捷，也使驱动器的通用性有了很大的提高。
附图说明
图1是三相正弦波电流信号产生电路结构框图；
图2是两相相位差正弦波电流信号产生电路图；
图3是三相正弦波电流信号产生电路图；
图4是三相步进电机绕组电流波形。
具体实施方式
图1是三相正弦波电流信号产生电路结构框图，该电路由单片机U1、D/A转换器U2、运算放大器U3、晶振XTAL和信号合成电路组成，步进电机功率驱动电路的电流信号反馈到信号合成电路，与信号合成电路中的差分电路的U-1、U-3输入端相接。
图2是两相相位差正弦波电流信号产生电路，由单片机U1、D/A转换器U2、运算放大器U3和晶振XTAL组成，所述单片机U1为ATTINY2313，脉冲信号XP从U1的6脚输入，转向信号CW从U1的11脚输入，U1的7、8、9脚为设定电机工作模式的开关键，U1的B口输出端12～19脚(PB0、PB7)分别接D/A转换器U2的4、3、2、1、20、19、18、17脚，其1脚经下拉电阻R1接地，平时使1口保持低电平。
所述D/A转换器U2为TLC7528，所述运算放大器U3为TL084B，U2的9、10、12、13脚分别接U3的8、9、2、1脚，运算放大器U3的8、6脚之间接有电阻R2，13、1脚之间接有电阻R3，其作用是调节比例大小，确定运放的放大倍数，A相正弦波电流信号VOA从运算放大器U3的14脚输出，B相正弦波电流信号VOB从运算放大器U3的7脚输出，所述晶振XTAL为10MH有源晶振，它的输出端3脚接单片机U1的5脚。
图3是三相正弦波电流信号产生电路图，即三相正弦波电流信号合成电路图，由差分电路U-1、U-3，加法器U-2和反相器U-4组成，A相正弦波电流信号VOA与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOC分别经电阻R4、R18接U-1的负端，B相正弦波电流信号VOB与步进电机功率驱动模块的电流反馈信号VOD分别经电阻R11、R10接U-3的负端，VOA、VOB之间接有电阻R6、R9，VOC、VOD之间接有电阻R5、R8，它们的中点均接入加法器U-2的负端，差分电路U-1的输出端与输入负端之间接有电阻R19、电容C1、和电阻R20与电容C2的串接电路，U-3的输出端与输入负端之间接有电阻R12、电容C4、和电阻R13与电容C5的串接电路，加法器U-2输出端与输入负端之间接有电阻R7、电容C3，U-2输出端经电阻R17接反相器U-4的输入负端，U-4的输出端与输入负端之间接有电阻R16。
图4是所得到的三相混和式步进电机绕组电流波形
本发明产生幅值严格相等，相位差严格是的精确的步进电机平滑驱动三相电流信号的方法步骤如下：
①首先在单片机U1内建立两个标准正弦波的电流数值表，表1和表2，这两个正弦波表都是一个完整的周期2π，表1从sin(0)开始，到sin(2π)结束，表2从开始，到结束，在这两个表中，我们取每个表中的正弦波的点数是M个数值点，也就是一个完整的正弦波周期是由M个数值点组成，点数M根据工程实际，考虑加工的精度和效率在100～1000之间选择。
②根据实际加工需要，通过单片机的开关键预先设定电机工作模式，所谓工作模式不同，即所需电机的转速不同，也就是采样的间隔不同，一个转速对应一个工作模式，一个采样间隔。
③单片机复位后先判定出步进电机的工作模式(也就是电机实际的转速需要，即每转的步数)，当有脉冲信号CP和电机转向逻辑控制信号CW输入时，单片机由CW电平的高低判定电机的转动方向，再根据电机的工作模式查表，得到采样间隔值，单片机根据电机的转动方向和采样间隔值，不断的把表中的数值按采样间隔依次读取，并通过单片机的B口输出到D/A转换器，通过D/A转换变成模拟量，再经过运算放大，即可得到两相幅值严格相等、相位差严格是的正弦波电流信号VOA和VOB。
④第三路信号由前面两路合成产生，由信号合成电路对VOA与功率驱动模块的电流反馈信号VOC差分得到VOA′，VOB与功率驱动模块的电流反馈信号VOD差分得到VOB′，在VOA′和VOB′之间用一个加法器和一个反向器，则有(假设VOA′为sin(α)，VOB′为sin(α+2π/3)，VOA′和VOB′两相的幅度均为1)
sin ( α ) + sin ( α + 2 π / 3 ) = 2 sin ( α + α + 2 π / 3 2 ) cos ( α - α - 2 π / 3 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
= 2 sin ( α + π / 3 ) cos ( - π / 3 ) = sin ( α + π / 3 ) = - sin ( α + 4 π / 3 ) ]]>
sin(α+4π/3)＝-[sin(α)+sin(α+2π/3)]    (2)
这样就得到了第三相VOC′为sin(α+4π/3)，当前面生成的两相正弦波电流信号是幅度一样，相位差是严格的时，则第三相电流信号也是准确的，最终产生出平滑驱动所需的三相幅值严格相等，相位差严格是的正弦波驱动电流。
⑤当单片机检测到CW电平跳变后，A不再查1的数值，而是开始查表2的数值，B开始查表1的数值，查表的结果是B超前这样就达到了电机换向的目的。
具体的过程是CW脉冲信号到来后，由脉冲信号判定电机是正转还是反转，正转时候就是A相输出的是表1 sin(0)到sin(2π)的数值，B相输出的是表到的数值；反转的时候B相输出的是表1 sin(0)到sin(2π)的数值，A相输出的是表2到的数值。假如转向是正向，当第一个脉冲来的时候(例如读出电机的工作模式是1，对应的采样间隔为1，也就是来第一个脉冲的时候，对正弦波表中的第一个数采样，来第二个脉冲时候对正弦波表中的第二个数采样，中间的间隔为1；如读出电机的工作模式是2，对应的采样间隔为2，也就是来第一个脉冲的时候，对正弦波表中的第一个数采样，来第二个脉冲时候，对正弦波表中的第三个数采样，中间的间隔为2，以次类推，所谓的工作模式不同，也就是采样的间隔不同，正是由于采样间隔的设置不同，可以控制电机的每转步数，使驱动器的通用性有了很大的提高)，先对表A采样第一次，再对表B采样第一次；来第二个脉冲的时候先对表A采样第二次，再对表B采样第二次，以次类推，工作模式和采样间隔的设置要综合考虑加工精度、工作效率等，并结合实践经验来选取。
在合成第三相正弦波电流信号时，也不是简单的直接用VOA和VOB，而是VOA和功率驱动模块的电流反馈信号VOC，VOB和功率驱动模块的电流反馈信号VOD差分形成的正弦波电流信号VOA′和VOB′，将步进电机功率模块的正弦电流信号反馈到合成电路的目的是进一步提高电机运行的平稳性。
本发明解决步进电机换向时抖动问题的方法步骤如下：
①当电机的转动方向改变时，假如电机停下来前是正转，停下来的时候A相保值为sin(0)到sin(2π)内的某一值(假如是表1中第200个点的值)，B相保值为对应点数的到内的某一值(假如是表2中第200个点的值)，将这两个值记下。
②然后在表2中找一个和表1中第200个点数值大小最接近点，在表1中找一个和表2中第200个点数值大小最接近点，同时满足它们在每个表中的位置相同(即表1是第几个点，表2也是第几个点)，这样就可以保证电机转向后相位差仍然是完整的
③所述数值大小最接近点，采用的是逐次比较法，从表头一直比较到表尾，对应点的两个数值和我们记下的保值点的数字相差的绝对值和最小的点，就是所要寻找的点，电机反向的时候就从这个点处开始运行。
换向的具体实施过程如下：
在三相六拍的控制方式下，电机正转时，A、B、C三相的通电状态为：A-AB-B-BC-C-CA-A......，此时A领先B领先反转时电机三相六拍的控制方式为C-CB-B-BA-A-AC-C......，此时C领先，B领先这样就达到了换向的目的。
假设由D/A转换器输出的模拟量为A和B，A是由查表1得到，B是由查表2得到，此时保证了A超前反相的时候实质上是保证B超前就可以了，我们这里采用的方法是当单片机检测到CW电平跳变后，A不再查1的数值，而是开始查表2的数值，B开始查表1的数值，查表的结果是B超前这样就达到了换向的目的。
由于步进电机停下来时候电流是保值的，当电机的转动方向进行变换时，如果不加以控制，转向时候的电流是从表头开始的。由于电机停下来的时候电流的保值作用，这样电流很有可能出现较大的跳变，即电机反向运行的时候会产生抖动。
这里要解决一个问题：怎样保证电机反向的时候在两个表里找到合适的点，保证电流不跳变，采用的方法是在表里寻找和原来的两个值最接近的点，找到该点后开始从这个点运行，这样就可以保证电机运行的平稳性。具体的寻找方法：假如电机停下来前是正转，停下来的时候A相保值为sin(0)到sin(2π)的数值，B相保值为对应点数的到的数值(即A相输出的如果是表1中第200个点的值，B相输出的也是表2中第200个点的值)，下面要做的就是在表2中找一个点和表1中第200个点数值大小最近，在表1中找一个点和表2中第200个点数值大小最近，同时满足他们在每个表中的位置相同(即表1是第几个点，表2也是第几个点，这样才能保证，我们用的逐次比较的方法，从表头一直比较到表尾，对应点的两个数值和我们的保值点的数字相差的绝对值和最小，则这个点就是我们所要寻找的点，电机反向的时候就从这个点处运行，由于保证了电流不跳变，也就保证了电机运行的平稳性。