一种微步控制方法、装置及步进电机控制器

技术领域

本发明属于机电领域，尤其涉及一种微步控制方法、装置及步进电机控制 器。

背景技术

为了缩小步进电机的步距角，提高控制精度和分辨率，业界普遍采用余弦 电流控制法对马达进行微步控制，即通过在步进电机的绕组上施加具有一定相 位差的余弦控制电流，将步进马达的每一个整步细分为2个以上的微步，进而实 现微步控制。

然而，在余弦电流控制法中，由于铁芯的磁滞因素严重影响步进电机步进 (以及扭矩)的均匀性，并且在步进电机转换方向时，因磁芯的磁滞产生停止 使齿轮位置的变化滞后于控制变化，导致步长不均匀以及正向步长与反向步长 不相等。

目前，由于传统的开环控制系统实现微步控制，精度通常较低，难以满足 市场对步进电机精度控制的要求，因此通常采用两种闭环控制系统对步进位置 进行标定实现微步控制的步进(以及扭矩)的均匀性，其一为：采用光电编码 器、磁旋转编码器、光珊尺和磁珊尺等位置传感器形成反馈回路，控制器根据 反馈数据动态调整控制参数，实现线性位置控制的目的。该方案的缺陷在于， 需要使用昂贵的位置传感器、成本高，并且由于对安装尺寸有特殊要求，难以 满足紧凑型产品的应用需求。

其二为：使用光电编码器或者光栅尺事先记录步进电机转动的步距角映射 表，以表格的方式存储，根据目标的转角反向查表，获得最佳的步进控制指令。 该方案的缺陷在于，需要对每个马达分别标定，工作量大，难易满足量产工艺 的需求，并且，由于磁滞回线的路径与软磁芯绕组的历史状态有关，如果在绕 组历史状态不同的时候使用统一的微步步距角映射表，则位置标定需要覆盖所 有的历史状态，标定工作量程指数上升，更难以满足量产工艺的需求，尤其是 在不同的位置改变运动方向时，会造成不同程度的难以预测的误差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种微步控制方法，旨在解决现有微步控制 方法精度低，成本高，尺寸大，以及标定工作量大，难易满足量产工艺的需求 的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种微步控制方法，所述方法包括下述步骤：

计算余弦电流；

根据磁滞曲线生成电流补偿函数；

根据所述电流补偿函数对所述余弦电流进行补偿，生成补偿电流；

通过所述补偿电流对步进电机进行微步控制。

本发明实施例的另一目的在于提供一种微步控制装置，所述装置包括：

电流计算单元，用于计算余弦电流；

补偿函数生成单元，用于根据磁滞曲线生成电流补偿函数；

电流补偿单元，用于根据所述电流补偿函数对所述余弦电流进行补偿，生 成补偿电流；

微步控制单元，用于通过所述补偿电流对步进电机进行微步控制。

本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述微步控制装置的步进电机 控制器。

本发明实施例根据磁滞曲线数据补偿余弦电流，采用补偿后的电流对步进 电机进行微步控制，有效提高了步进电机微步控制的步进均匀性，实现了高精 度的开环控制，并且结构简单，成本低，易于实现，工作量小，尺寸小，能够 满足量产工艺的需求。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的微步控制方法的实现流程图；

图2为本发明第二实施例提供的微步控制方法的实现流程图；

图3为本发明第二实施例提供的微步控制方法的磁滞回曲线图；

图4(a)为本发明第二实施例提供的微步控制方法的逆时针方向电流补偿 图；

图4(b)为本发明第二实施例提供的微步控制方法的顺时针方向电流补偿 图；

图5为本发明第三实施例提供的微步控制方法的实现流程图；

图6为本发明第三实施例提供的微步控制方法的磁通量状态图；

图7为本发明第三实施例提供的微步控制方法在电流下降时生成的磁滞回 曲线图；

图8为本发明第三实施例提供的微步控制方法在电流上升时生成的磁滞回 曲线图；

图9为本发明第三实施例提供的微步控制方法的逆时针方向补偿后的电流 波形与余弦电流的对照关系图；

图10为本发明第三实施例提供的微步控制方法的顺时针方向补偿后的电 流波形与余弦电流的对照关系图；

图11为本发明第三实施例提供的微步控制方法的任意相位角改变方向补 偿后的电流波形与余弦电流的对照关系图；

图12示出了本发明第四实施例提供的微步控制方法的实现流程图；

图13为本发明实施例提供的微步控制装置的结构图；

图14为本发明实施例提供的微步控制装置的第一示例结构图；

图15为本发明实施例提供的微步控制装置的第二示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过根据马达线圈软磁体磁滞曲线数据补偿用于步进电机励 磁的微步控制电流，无需对步进电机进行位置标定，简单有效地提高了步进电 机微步控制的步进均匀性，实现了高精度的开环控制。

在本发明实施例中，以马达的某一个线圈的余弦电流为例进行说明，所有 线圈的电流都可以在考虑余弦电流相位差的基础上用同样的方法实施，不同线 圈的余弦电流的相位差计算为现有技术，此处不再赘述。

图1示出了本发明第一实施例提供的微步控制方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，计算余弦电流；

在步骤S102中，根据磁滞曲线生成电流补偿函数；

在本发明实施例中，当对精度要求不高时，可以将磁滞曲线近似为平行四 边形，以简化求取电流补偿函数的步骤，改善微步步进的不均匀性，当对精度 要求较高时，可以通过磁滞曲线获取磁滞曲线数据，并根据磁滞曲线数据求取 电流补偿函数，以实现精确控制。

当然，也可以通过人工计算电流补偿函数，并将各种方式得到的电流补偿 函数进行存储，以在需要时进行调用。

在步骤S103中，根据电流补偿函数对余弦电流进行补偿，生成补偿电流；

在本发明实施例中，根据所述电流补偿函数对所述余弦电流进行补偿计算， 得到补偿电流值，并可以由可编程电流控制电路控制驱动电路实现补偿电流控 制，也可以采用数字频率合成技术方法生成PWM信号，由PWM信号驱动MOS 管或者达林顿管等的功率器件来调整线圈的电流，实现补偿电流控制。

在步骤S104中，通过补偿电流对步进电机进行微步控制。

在本发明实施例中，通过补偿电流对马达线圈中的控制电流进行修正，电 流变化量使补偿后的控制电流在增大或者减小的变化过程中，磁通量随之实时 对应变化，以保证通过余弦控制电流对马达的进行有效、实时的微步控制，改 善微步步进的不均匀性，实现了高精度的开环控制，并且结构简单，成本低， 易于实现，工作量小，尺寸小，能够满足量产工艺的需求。

图2示出了本发明第二实施例提供的微步控制方法的实现流程，详述如下：

在步骤S201中，计算余弦电流；

在步骤S202中，获取磁滞曲线函数，并将该磁滞曲线函数近似为平行四 边形函数；

在本发明实施例中，将磁滞曲线近似为平行四边形，通过求取平行四边形 函数代替磁滞曲线函数，可以大幅简化计算以及减小标定工作量，尤其对于对 精度要求不高的微步控制提高步进均匀性，效果明显。

在步骤S203中，根据平行四边形函数生成电流补偿函数；

在本发明实施例中，线圈电流的磁化场产生的磁通量如图3中过原点的斜 点虚划线所示，从图3中可以看出，当电流由增加变到减少的过程中，电流变 化ΔI能引起的磁通量变化近似为0；类似地，当电流由减少变化到增加的过程 中，电流变化ΔI能引起的磁通量变化也近似为0。

在图3中可以明显看出，当余弦电流对时间的微分由正变为负的时候，补 偿函数为-ΔI/2；当余弦电流对时间的微分由负变为正的时候，补偿函数为ΔI/2。 值得注意的是，若余弦电流为大电流时可以按照图3中外围实线的平行四边形 函数进行补偿，若余弦电流为小电流时可以根据实际电流值按照图3中两水平 虚线与两斜实线构成的平行四边形函数进行补偿。

在步骤S204中，根据电流补偿函数对余弦电流进行补偿，生成补偿电流；

在步骤S205中，通过补偿电流对步进电机进行微步控制。

图4(a)和图4(b)分别为余弦电流逆时针转动时的电流补偿图和余弦电 流顺时针转动时的电流补偿图，其中虚线为补偿前的余弦电流，实现为补偿后 的余弦电流。

当余弦电流逆时针转动时，电流在谷值陡降ΔI、在峰值陡升ΔI；当余弦 电流顺时针转动时，电流在谷值陡升ΔI、在峰值陡降ΔI，使磁滞回线从平行 四边形的一斜边跳转到另一平行斜边，避免了磁滞现象，从而实现微步控制的 步进均匀性。

在本发明实施例中，忽略其他绕组对磁通量的影响，认为磁通量仅与历史 磁通量和当前电流值有关，将磁滞回线近似为平行四边形，通过对该平行四边 形提取补偿函数进行补偿，在对微步控制精度需求不高的前提下，可以大幅简 化计算，并具有明显的修正效果。

图5示出了本发明第三实施例提供的微步控制方法的实现流程，详述如下：

在步骤S301中，计算余弦电流；

在步骤S302中，根据预设的多个历史状态生成两两状态转换时的磁滞曲 线数据；

在本发明实施例中，根据所需求的细分数设置历史状态数，细分数为马达 在一个圆周运动中细分步停止位置的数量，若细分数为N则历史状态数为4N 即可获得较好的控制精度，当然，可以根据需要降低历史状态数以减少测量工 作量，也可以根据需要增加历史状态数以提高控制精度。

作为本发明一实施例，磁滞曲线数据包括磁通量和电流值。

对于同一型号的马达，若历史状态数为4N，则将磁芯材料在运转时分为 4N个状态，并通过测量获取两两状态转换时的磁滞曲线数据S_n＝{F_n，I_n}，其中 S_n为第n个历史状态下的磁滞曲线数据，F_n为在第n个历史状态下的磁通量，I_n为 第n个历史状态下磁通量对应的电流值，获取两两状态转换时的磁滞曲线数据可 以根据实际需求全部通过测量获取，也可以通过测量获取一部分磁滞曲线数据， 再通过插值生成其余的磁滞曲线数据，以减少测量工作量。

具体为：

a、根据预设历史状态数计算磁通量；

历史状态数16将步进马达转动的相位角相应分为16个状态，并且步进马 达的细分步停止位置是由各线圈的磁通量共同作用确定，因此每一个状态的相 位角均对应一个目标磁通量(F₀-F₁₆)，其函数关系参见图6，即通过各历史状 态的磁通量控制马达的细分步转动，为了满足恒扭矩控制需求，马达细分步控 制目标磁通量为关于细分步控制相位角的函数为余弦函数，其中F为磁通量峰值，F_n为在第n个历史状态下的磁通量，n为历史状态序号，以 2相电机为例，两相线圈的目标磁通量关于相位角的函数为相位差为90度的两 个余弦函数。

b、根据磁通量获取对应的电流值；

在本发明实施例中，通过计算或者测量获取磁通量F₀-F₁₆对应的电流值 I₀-I₁₆。在初始状态下，以磁通量F₁为控制目标，参见图6，逐渐从0开始将电 流提高，并用磁通量测量仪器(例如使用毫特斯拉仪)监测线圈的磁通量，直 到磁通量达到F₀，并记录此时的电流I₀，以获取在该历史状态下的磁滞曲线数据 S₀＝{F₀，I₀}，然后以S₀＝{F₀，I₀}为起点，减少电流，同时记录磁通量数据，直至 磁通量减少到F₈，记录此时的电流值I₈，以获取在第八历史状态下的磁滞曲线数 据S₈＝{F₈，I₈}，此后再增加电流，直至磁通量增加至F₁，记录此时电流值I₁，并 获取第一历史状态下的磁滞曲线数据S₁＝{F₁，I₁}，重复地，降低电流，直至磁通 量增加至F₇，记录此时电流值I₇，并获取第七历史状态下的磁滞曲线数据S₇＝{F₇， I₇}，增加电流，直至磁通量增加至F₂，记录此时电流值I₂，并获取第二历史状 态下的磁滞曲线数据S₂＝{F₂，I₂}，...S₁₆＝{F₁₆，I₁₆}，其中S₀＝{F₀，I₀}与S₁₆＝{F₁₆，I₁₆} 相同，分别为初始位置和终点位置。

在步骤S303中，对两两状态转换时的磁滞曲线数据进行描点，以生成磁 滞曲线集；

在本发明实施例中，在电流下降时，分别将各个状态转换时的磁滞曲线数 据(S₀-S₇、S₉-S₁₅)与最小电流对应的磁滞曲线数据S₈之间进行描点，参见图7， 其中虚斜划线为磁化场产生的磁通量，虚线C_n为插值生成的磁滞曲线，在电流 上升时，分别将各个状态转换时的磁滞曲线数据(S₁-S₁₅)与最大电流对应的磁 滞曲线数据S₁₆之间进行描点，参见图8，其中虚斜划线为磁化场产生的磁通量， 以获得多条磁滞曲线C_i，j，该磁滞曲线对应了磁通量关于电流的函数F_i，j(I)以 及其逆函数I_i，j(F)，由于S₇-S₁₅与S₈之间的描点曲线与S₀与S₈之间的描点曲线重 叠，S₁-S₇与S₁₆之间的描点曲线与S₈与S₁₆之间的描点曲线重叠，因此可以省略对 S₇-S₁₅与S₈之间的描点，以及S₁-S₇与S₈之间的描点，以减少工作量。

例如，对S₀至S₈描点以获得一条磁滞曲线C_0，8，该磁滞曲线对应了磁通量关 于电流的函数F_0，8(I)以及其逆函数I_0，8(F)，依次对任意两个状态转换时的磁 滞曲线数据描点(可以在描点前进行筛选以排除重复描点)，以生成磁滞曲线集 {C_0，8，C_1，8，C_2，8，C_3，8，C_4，8，C_5，8，C_6，8，C_7，8，C_8，9，C_8，10，C_8，11，C_8，12，C_8，13，C_8，14，C_8，15，C_8，16}。

在步骤S304中，根据磁滞曲线集生成电流补偿函数；

根据{C_0，8，C_1，8，C_2，8，C_3，8，C_4，8，C_5，8，C_6，8，C_7，8，C_8，9，C_8，10，C_8，11，C_8，12，C_8，13，C_8，14，C_8，15，C_8，16}提取多 种状态转换时的函数I_0，8(F)、I_1，8(F)、I_2，8(F)、I_3，8(F)、I_4，8(F)、I_5，8(F)、 I_6，8(F)、I_7，8(F)、I_9，8(F)、I_8，10(F)、I_8，11(F)、I_8，12(F)、I_8，13(F)、I_8，14(F)、 I_8，15(F)、I_8，16(F)作为电流补偿函数。

在步骤S304中，根据电流补偿函数对余弦电流进行补偿，生成补偿电流；

在步骤S305中，通过补偿电流对步进电机进行微步控制。

在本发明实施例中，当需要控制马达持续顺时钟方向转动时，首先给马达 施加I₀的电流，认为马达线圈此时状态为S₀，圈磁通量此时为F₀，然后按照磁滞 曲线C_0，8对应的电流补偿函数I_0，8(F)对余弦电流进行补偿，并通过驱动电路调节 电流的变化，然后每间隔一个时间周期(由控制速度决定)依次给线圈施加电 流I_0，8(F₇)，I_0，8(F₆)，...，I_0，8(F₈)，至此马达进入状态S₈，然后按照磁滞曲线C_8，16对 应的电流补偿函数I_0，8(F)，然后每间隔一个时间周期依次给线圈施加电流 I_8，16(F₉)，I_8，16(F₁₀)，...，I_8，16(F₁₆)。至此完成了一个电流周期的控制，后续周期 性重复即可实现匀角速度的步进电机控制。补偿后的电流波形与余弦电流的对 照关系参见图9。

当需要控制马达持续逆时钟方向转动时，首先给马达施加I₁₆的电流，认为 马达线圈此时状态为S₁₆，圈磁通量此时为F₁₆，然后按照磁滞曲线C_16，8对应的电 流补偿函数I_16，8(F)，然后每间隔一个时间周期(由控制速度决定)依次给线圈 施加电流I_16，8(F₇)，I_16，8(F₆)，...，I_16，8(F₈)，至此马达进入状态S₈，然后按照磁滞 曲线C_8，0对应的电流补偿函数I_8，0(F)，然后每间隔一个时间周期依次给线圈施加 电流I_8，0(F₇)，I_8，0(F₆)，...，I_8，0(F₀)。至此完成了一个电流周期的控制，后续周期 性重复即可实现匀角速度的步进电机控制。控制电流波形与余弦电流的对照关 系参见图10。

当需要控制马达由顺时钟方向运动改为逆时钟方向运动，方法也类似，以 转向位置的相位对应的历史状态选择磁滞曲线，然后根据磁滞曲线选择电流补 偿函数，最后根据补偿函数对余弦电流实施补偿获得补偿后的电流值。

下面举例说明。假设控制任务是：首先达顺时钟运动17/16齿距位置，也 就是405度相位处，然后控制马达反向运动，控制过程中要求保持马达每一个 微步步进较均匀。首先按照前面所说的方法先控制马达顺时钟运动到405度相 位，线圈状态为S₃，然后选择磁滞回线C₃₀，控制马达逆时钟运动到360相位，线 圈状态为S₀，然后继续按照逆时钟的控制方法施加控制电流实施控制，在*点逆 时钟运动，补偿后的电流波形和余弦电流的对照关系参见图11。

可以理解，上述的405度相位角只是一个普通的相位角，实施者可以根据 需要选择任意相位角，用相似的方法选择对应的磁滞曲线，实现任意相位角处 地转向。

总而言之，对于马达的任意线圈，当余弦电流由增加变为减少时，控制电 流相对余弦电流而言剧烈降低，也就是说此时开始对余弦电流施加一个负的补 偿电流，当余弦电流由减少变为增加时，控制电流相对余弦电流而言剧烈增大， 也就是说此时开始对余弦电流施加一个正的补偿电流。

图12示出了本发明第四实施例提供的微步控制方法的实现流程，详述如 下：

在步骤S401中，对线圈磁芯进行消磁处理；

在本发明实施例中，通过对线圈磁芯进行消磁以进一步提高精度。

在步骤S402中，计算余弦电流；

在步骤S403中，根据磁滞曲线生成电流补偿函数；

在步骤S404中，根据电流补偿函数对余弦电流进行补偿，生成补偿电流；

在步骤S405中，通过补偿电流对步进电机进行微步控制；

在步骤S406中，验证马达微步控制精度是否达到预设标准；

若是，则执行空操作；

若否，则执行步骤S407增加历史样状态数，并返回重新执行步骤S403。

在本发明实施例中，可以使用精度较高的光电编码器测量马达的每一个微 步转动量，并且计算该转动量的方差值，若方差值大于预设标准时，则马达微 步控制的精度不能达到预设标准，若方差值小于预设标准时，则马达微步控制 的精度能达到预设标准。

在本发明实施例中，通过电流补偿函数对马达线圈中的控制电流进行修正， 对于电流在由增加到减少的过程中，控制电流相对余弦电流而言剧烈降低，当 余弦电流由减少变为增加时，控制电流相对余弦电流而言剧烈增大，并且磁通 量随之实时对应变化，以保证通过余弦控制电流对马达的进行有效、实时的微 步控制，实现了开环微步控制，有效提高了步进电机微步控制的步进均匀性， 并且结构简单，成本低，易于实现，工作量小，尺寸小，能够满足量产工艺的 需求。

图13示出了本发明一实施例提供的微步控制装置的结构，为了便于说明， 仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例，该微步控制装置可以应用于各种步进电机控制器中， 该装置包括：

电流计算单元71，用于计算余弦电流；

补偿函数生成单元72，用于根据磁滞曲线生成电流补偿函数；

电流补偿单元73，用于根据电流补偿函数对余弦电流进行补偿，生成补偿 电流；

微步控制单元74，用于通过补偿电流对步进电机进行微步控制。

图14示出了本发明实施例提供的微步控制装置的第一示例结构，为了便于 说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

补偿函数生成单元72包括：

磁滞曲线函数获取模块721，用于获取磁滞曲线函数，并将该磁滞曲线函 数近似为平行四边形函数；

补偿函数生成模块722，用于根据平行四边形函数生成电流补偿函数。

在本发明实施例中，当余弦电流对时间的微分由正变为负的时候，所述电 流补偿函数为-ΔI/2；当余弦电流对时间的微分由负变为正的时候，电流补偿函 数为ΔI/2。

图15示出了本发明实施例提供的微步控制装置的第二示例结构，为了便于 说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

补偿函数获取单元72还可以包括：

磁滞曲线数据获取模块723，用于根据预设的多个历史状态生成两两状态 转换时的磁滞曲线数据；

磁滞曲线集生成模块724，用于对两两状态转换时的磁滞曲线数据进行描 点，以生成磁滞曲线集；

补偿函数生成模块725，用于根据磁滞曲线集生成电流补偿函数。

本发明实施例根据磁滞曲线数据补偿余弦电流，采用补偿后的电流对步进 电机进行微步控制，实现了开环微步控制，有效提高了步进电机微步控制的步 进均匀性，并且结构简单，成本低，易于实现，工作量小，尺寸小，能够满足 量产工艺的需求。

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