一种步进电机、其丢步检测结构及其检测丢步的方法

摘要

本发明公开了一种步进电机、其丢步检测结构及其检测丢步的方法。所述的步进电机的丢步检测结构包括根据步进电机的反电动势对转子实际角位置的进行测算的实际位置测算装置、与步进电机的控制系统连接的以得到系统给定位置的给定位置获得装置，及与实际位置测算装置和给定位置获得装置连接的比较装置；所述的比较装置对转子实际角位置及系统给定位置进行比较，输出是否丢步的检测结果。本发明在没有使用外加传感器的情况下，通过提取反电动势对转子实际角位置进行测算，再通过对步进电机的控制系统给定的系统给定位置与测试得到的转子实际角位置进行比较，就可以判断步进电机是否丢步，可以实现开环控制下的对步进电机的丢步检测，效果好、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及步进电机技术领域，更具体的说，涉及一种步进电机、其丢步检测结构及其检测丢步的方法。

背景技术

步进电机，尤其是混合式步进电机，在运行过程中由于负载突变、转子低频及中频振荡等原因容易出现丢步现象、丢步严重时甚至会出现堵转现象，此时，需要要求转子迅速停转，以免发生更加严重的后果。

而由于在步进电机系统中，为了使驱动器成本更加低廉，常采用开环控制，是没有位置反馈回路的，因此无法直接得到转子的实际位置，不能判断步进电机是否发生了丢步现象。而若是在步进电机转子上安装编码器等位置传感器进行位置检测，实现闭环控制，虽然可以检测到步进电机是否丢步，但由于编码器成本高、安装复杂，闭环控制系统的控制也较为复杂，这与市场对步进电机及驱动系统的低成本要求相矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低的、不需要外接编码器等位置传感器即可而实现对转子丢步的检测的步进电机的丢步检测结构、步进电机及其使用的检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种步进电机的丢步检测结构，包括根据步进电机的反电动势对转子实际角位置的进行测算的实际位置测算装置、与步进电机的控制系统连接的以得到系统给定位置的给定位置获得装置，及与实际位置测算装置和给定位置获得装置连接的比较装置；所述的比较装置对转子实际角位置及系统给定位置进行比较，输出是否丢步的检测结果。

所述的丢步检测结构的实际位置测算装置包括对反电动势进行计算的反电动势计算装置、及根据反电动势计算出转子实际角位置的实际角位置计算装置。

所述的反电动势计算装置包括绕组电压检测装置、绕组电流检测装置，其根据方程组：

$e_A=u_A-L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_A$

$e_B=u_B-L\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_B$

进行计算；其中，e_A，e_B分别为电机两个绕组的反电动势；u_A，u_A分别为电机两个绕组的电压；i_A，i_B分别为电机两个绕组的电流；R是步进电机绕组的电阻；L是步进电机绕组的电感。这是计算反电动势的一种方式。

所述的实际角位置计算装置根据方程进行计算，其中，θ_r为转子实际角位置，所述的e_A，e_B为电机两个绕组的反电动势.这是根据反电动势计算实际角位置的一种方式.

所述的丢步检测结构还包括设置在反电动势计算装置与实际角位置计算装置之间的对反电动势计算装置的计算结果进行滤波的滤波装置。由于在丢步检测结构中计算电流的微分时，会引起很大的噪声，导致计算结果误差较大，同时为了减小由于高频开关动作而引起电压和电流测量的不准确，可以对反电动势计算装置的计算结果进行滤波处理，以提高计算精度。

所述的丢步检测结构还包括与实际位置测算装置连接的将三相步进电机或五相步进电机等效成两相步进电机的坐标变换结构。这样的设置使得此丢步检测结构可以通用于两相步进电机、三相步进电机或五相步进电机中。

所述的比较装置内预设有阈值、所述的比较装置将转子实际角位置及系统给定位置进行比较后得到的差值与阈值相比较，仅当比较得到的差值在预设的阈值范围外时输出此步进电机丢步的检测结果。

一种步进电机，包括控制系统，其中，所述的步进电机还包括有上述的丢步检测结构。

一种步进电机检测丢步的方法，包括以下步骤：

A：根据步进电机的反电动势进行测算转子实际角位置；

B：将测算的实际角位置与步进电机的控制系统给定的系统给定位置进行比较，输出是否丢步的检测结果。

所述的步骤A中，包括以下步骤：

A1：检测并计算步进电机的绕组反电动势；

A2：根据绕组反电动势计算转子位置角。

所述的步骤A1中，还包括对绕组的电压、电流分别进行检测的步骤，并根据方程组：

$e_A=u_A-L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_A$

$e_B=u_B-L\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_B$

进行e_A，e_B的计算；其中，e_A，e_B分别为电机两个绕组的反电动势；u_A，u_A分别为电机两个绕组的电压；i_A，i_B分别为电机两个绕组的电流；R是步进电机绕组的电阻；L是步进电机绕组的电感。

所述的步骤A2中，根据方程进行θ_r的计算，其中，θ_r为转子实际角位置，所述的e_A，e_B为电机两个绕组的反电动势。

所述的步骤A1中，还包括对反电动势计算装置的计算结果进行滤波的步骤。

所述的步骤A1之前，还包括将三相步进电机或五相步进电机等效成两相步进电机的坐标变换的步骤。这样的设置使得此丢步检测结构可以通用于两相步进电机、三相步进电机或五相步进电机中。

所述的步骤B中，在将测算的实际角位置与步进电机的控制系统给定的系统给定位置进行比较后，还包括将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值在预设的阈值范围外，则输出此步进电机丢步的检测结果的步骤.

本发明在没有使用外加传感器的情况下，通过提取步进电机的反电动势对转子实际角位置进行测算，再通过对步进电机的控制系统给定的系统给定位置与测试得到的转子实际角位置进行比较，就可以判断步进电机是否丢步，可以实现开环控制下的对步进电机的丢步检测，效果好、成本低。

附图说明

图1是本发明实施例步进电机的丢步检测结构的结构示意图；

图2是本发明实施例的步进电机绕组模型和H桥的MOSFET的动作模型示意图；

图3是本发明实施例的步进电机进行丢步检测的实现流程图。

其中：1、直流电源；2、电机绕组；3、反电动势；4、开关；5、模数转换器；6、模数转换器。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

当步进电机稳态运行时，电机的反电动势始终与转子的转动是同步的，所以反电动势的频率与转子的运行频率也相同。因此，就可以通过步进电机的反电动势对转子实际角位置进行测算；而步进电机的控制系统通常使用脉冲指令形式，一个脉冲对应步进电机运行一步，其控制系统中会使用计数器对脉冲指令计数，形成给定的系统给定位置。通过对步进电机的控制系统给定的系统给定位置与测试得到的转子实际角位置进行比较，就可以判断步进电机是否丢步。这就是本发明的发明构思。

本发明所述的步进电机包括有控制系统及丢步检测结构，如图1所示，所述的丢步检测结构包括：

根据步进电机的反电动势对转子实际角位置的进行测算的实际位置测算装置；

与步进电机的控制系统连接的以得到系统给定位置的给定位置获得装置；

及与实际位置测算装置和给定位置获得装置连接的比较装置；

所述的比较装置对转子实际角位置及系统给定位置进行比较，输出是否丢步的检测结果。

所述的丢步检测结构的实际位置测算装置包括对反电动势进行计算的反电动势计算装置、及根据反电动势计算出转子实际角位置的实际角位置计算装置。

图2是以两相的混合式步进电机为例做出的步进电机绕组模型和H桥的MOSFET的动作模型。此模型中，直流电源1给电机绕组2供电、电机绕组包含电阻R和电感L、电机运行时产生了反电动势3、开关4表示场效应管(MOSFET)的开通和关断动作、模数转换器5和模数转换器6分别对应的采集母线电压和电机绕组的电流。在一个开关周期中，电机两相绕组的电气方程为：

$e_A=u_A-L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_A$

$e_B=u_B-L\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_B---\left(1\right)$

其中：e_A，e_B分别为电机两个绕组的反电动势；u_A，u_A分别为电机两个绕组的电压；i_A，i_B分别为电机两个绕组的电流；R是步进电机绕组的电阻；L是步进电机绕组的电感。

同时，设转子位置角为θ_r，转子转速为ω_r，则AB两相绕组中产生的反电动势分别如下：

e_A＝-ψ_fω_rsinθ_r

e_B＝ψ_fω_rcosθ_r           (2)

其中，Ψf为电机转子永磁体在定子相绕组感应的磁链。

根据(2)式可得，电机转子的位置θ_r为：

${\theta }_r=\arctan \left(\frac{-e_A}{e_B}\right)---\left(3\right)$

由(3)式可知，电机的实际角位置可以通过反电动势估算出，由实际角位置计算装置具体实现；而为了计算出反电动势，需要得到(1)式中的绕组电流、电压、电阻和电感，由反电动势计算装置具体实现。

所述的反电动势计算装置包括绕组电流检测装置及绕组电压检测装置，所述的绕组电流检测装置实现对步进电机绕组电流的检测，其通常可采用已有的电阻测量法或霍尔传感器法或其他的电流测量法来进行测量，其中电阻测量法较为简单、成本低，但由于测量电阻的功率及功耗限制，不适合用作大电流测量，而由于通常步进电机的运行电流较小，一般都小于10A，所以使用电阻测量法来检测步进电机的电流是完全可以的；而霍尔传感器法的优点在于它通过霍尔元件实现了隔离测量，可以消除控制电路中的地线干扰、高频功率器件的开关噪声，但其成本较贵。在具体实践时，可以根据实际需要选择对应的电流测量方法。

所述的绕组电压检测装置实现对步进电机绕组两端的电压的检测，其可以通过母线电压与此时脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)的占空比计算得到，母线电压通过电阻分压到模数转换器5、6能承受的电压范围进行测量，PWM的占空比是数字控制系统通过如比例积分等控制算法后计算得到。当然，也可采用其他的方法对电机绕组两端的电压进行测量。

步进电机绕组的电阻和电感通常可以通过步进电机的铭牌得到，也可以通过数字控制系统测量得到。电阻和电感的测量可以有很多种方法实现，比如可通过PWM在绕组上施加一固定的电压，测量此时绕组的电流，根据欧姆定律可以计算出绕组的电阻等。而在电阻测量完成后，关闭PWM输出，使电机的电流自由衰减，电流衰减到初始电流的0.36倍所使用的时间就是电机的电气时间常数，电气时间常数乘以电阻就是电感。

所述的丢步检测结构还包括设置在反电动势计算装置与实际角位置计算装置之间的对反电动势计算装置的计算结果进行滤波的滤波装置。这是由于在数字控制系统中计算电流的微分时，可能会引起较大的噪声，导致计算结果误差较大；同时为了减小由高频开关MOSFET4的高频开关动作而引起电压和电流测量的不准确，需要对(1)式的计算结果，也就是反电动势计算装置的计算结果进行滤波。

由于步进电机的反电动势是由步进电机的运行速度决定的，当步进电机运行速度为零时，反电动势也为零，当步进电机在低速运行时，反电动势很小，由(1)式计算出来的反电动势的误差相应的就会比较大，因此采用本发明所述的丢步检测结构的步进电机尤其更适合于在一定速度以上运行的步进电机，这个速度的阀值根据实际电机而定，通常在1转/秒以上的速度为佳.

所述的比较装置内预设有阈值、所述的比较装置将计算得到的转子实际角位置θ_r与从步进电机得到的系统给定位置进行比较，当比较得到的差值在预设的阈值范围外时，表明发生了丢步，则输出此步进电机丢步的检测结果。

图3示出了本方案中实施的步进电机检测丢步的方法，其包括以下步骤：

在一个控制周期中，启动模数转换器5、6测量母线电压和电机绕组的电流，根据母线电压和占空比计算出电机绕组的电压，对计算得到的绕组端电压进行低通滤波；计算和并进行低通滤波；

根据方程组：

$e_A=u_A-L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_A$

$e_B=u_B-L\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_B---\left(1\right)$

计算出两相绕组的反电动势e_A，e_B；两相绕组的反电动势e_A和e_B经过低通滤波器滤波后，可以去除高频开关及数字运算导致的噪声，这样利用式观测出来的转子位置角会更为精确和稳定；

根据式(3)计算出转子实际角位置θ_r，并从步进电机的控制系统中读取系统给定位置，将测算的实际角位置与步进电机的控制系统给定的系统给定位置进行比较后，将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值在预设的阈值范围外，则输出此步进电机丢步的检测结果。

其中，上述阀值的确定依据控制系统的噪声的影响而定，一般可选择为两个步进电机的步距角。如果阀值过大，检测出丢步的时间将加大，如果过小，可能由于系统中的噪声影响导致检测过于灵敏而产生误检测。具体的阀值可以根据具体步进电机通过实验来选取。

上述实施例是以两相的混合式步进电机为例做出的，对于其他的步进电机，如三相步进电机或五相步进电机来说，可以通过坐标变换(Clake变换)使三相步进电机或五相步进电机等效成两项步进电机进行检测。因此，本方案所述的步进电机的丢步检测结构还可以包括与实际位置测算装置连接的将三相步进电机或五相步进电机等效成两相步进电机的坐标变换结构，以使得此丢步检测结构可以通用于两相步进电机、三相步进电机或五相步进电机中。而在其进行检测丢步时，只需要在计算反电动势之前，执行将三相步进电机或五相步进电机等效成两相步进电机的坐标变换的步骤即可。

而上述实施例中虽然是以混合式步进电机为例进行说明的，但由于混合式步进电机综合了永磁式和反应式步进电机的特点，永磁式和反应式的电机绕组模型及反电动势与位置角的关系都与混合式一致，所以本方案同样适用于永磁式和反应式步进电机。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明.对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围.