專利名稱：一種微電機控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對步進電機的控制方法，尤其涉及根據(jù)轉(zhuǎn)子步進指令對步進電機進行
控制的一種微電機控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有步進電機在被控過程中不是以連續(xù)的方式動轉(zhuǎn)，而是斷續(xù)地動轉(zhuǎn)。步進電機通常具有一個永久磁性的轉(zhuǎn)子和兩個定子線圈。步進電機的轉(zhuǎn)子可以通過給兩個定子線圈中的任意一個提供電流而轉(zhuǎn)動到穩(wěn)定位置。轉(zhuǎn)子每一步進的方向由提供給線圈的電流極性決定。通過給兩個定子電流線圈交替地提供一序列的電流脈沖，轉(zhuǎn)子可以從初始穩(wěn)定位置轉(zhuǎn)動到新的穩(wěn)定位置，這個新的穩(wěn)定位置和初始的穩(wěn)定位置可能間隔了很多步。例如，通過給第一個定子線圈提供正電流脈沖，接著給第二個定子線圈提供正電流脈沖，繼而給第一個定子線圈提供負電流脈沖，再給第二個定子線圈提供負電流脈沖，這個電流序列構(gòu)成一個重復(fù)的電流序列循環(huán)，可以使步進電機按照所期望的方向和步驟轉(zhuǎn)動。簡言之，現(xiàn)有技術(shù)是通過給線圈提供適當?shù)碾娏鞫罐D(zhuǎn)子完成毗鄰的四步運動，這是一個360度的步進循環(huán)。 為了減小步進的幅度，目前常采取有效方法是通過同時給兩個定子線圈提供可控制大小和極性的電流，再次細分步進，以便使產(chǎn)生的磁場位于定子齒間的中間位置，這樣轉(zhuǎn)子可以被驅(qū)動，并均衡地落在毗鄰定子齒間的那一小段。這種一小段步進的轉(zhuǎn)子移動模式被稱為"微步進"。 圖2是現(xiàn)有微電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)步進指令微電機帶動所驅(qū)動的設(shè)備，如機床或跟蹤天線。在現(xiàn)有的技術(shù)中，由外部控制系統(tǒng)產(chǎn)生的步進指令(比如，每秒5度的轉(zhuǎn)動速度的指令)，被轉(zhuǎn)換器和脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換成每秒相應(yīng)的脈沖數(shù)值(比如，每秒500個脈沖)。接著，該轉(zhuǎn)換器和脈沖發(fā)生器再輸出一個相應(yīng)頻率的電脈沖，這些脈沖經(jīng)計數(shù)器處理后產(chǎn)生的數(shù)值輸入到正弦計算器和余弦計算器。正弦計算器和余弦計算器對輸入的信號進行計算處理后再傳輸?shù)诫娏靼l(fā)生器，電流發(fā)生器向微電機的定子線圈提供按所述步進指令要求進行轉(zhuǎn)動的所需電流。 計數(shù)器輸出一個有與360度步進周期數(shù)相一致的數(shù)值。例如，如果該數(shù)值為100，
那么計數(shù)器每一個輸入脈沖代表一個四步步進周期為3. 6度的前進或后退的微步進。而實
際上，每一個脈沖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子的物理旋轉(zhuǎn)等于3. 6度除以一次完整的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中步進周
期的個數(shù)。利用脈沖的上升沿和下降沿來控制微電機步進的方向，在計數(shù)器接收到脈沖時，
根據(jù)脈沖的上升沿和下降沿來確定微電機的轉(zhuǎn)動方向，每一脈沖的上升沿和下降沿分別為
1和-l，計數(shù)器輸出的脈沖數(shù)值或增加或減少l，名義上的正弦和余弦函數(shù)就被重新計算，
電流發(fā)生器就給微電機線圈提供相應(yīng)的電流。 上述的這種微電機控制系統(tǒng)現(xiàn)存在下述兩個問題 第一，因為每當計算器計算一個脈沖，正、余弦值也要重新被計算，新的電流值隨之被提供給微電機線圈，所以正、余弦計算器和電流發(fā)生器的操作速度就給微電機可提供的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定了上限。當然，可以通過增加微步進的幅度來提高轉(zhuǎn)動速度的上限，即通過 減少每一個步進周期中微步進的數(shù)量。但是，增加微步進的幅度卻降低了步進電機步進精 確度。 第二，對特定的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動速度而言，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的脈沖頻率可以與設(shè)備的機械
共振相一致，比如，由微電機驅(qū)動的天線。因為微電機是以不連續(xù)的微步進來改變天線位
置。在關(guān)鍵的脈沖頻率上，微步進將引起該系統(tǒng)中不良的機械震動，這種不良機械震動的幅
度可以通過減小微步進的幅度來降低，即增加每一步進周期中微步進的頻次。 所以圖2所示系統(tǒng)的基本問題是，如果為了提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度就要增大微步進的
幅度，其結(jié)果就會加重機械震動。而為了減輕機械震動，就必須降低轉(zhuǎn)動速度。所以如為減
輕機械震動，就必須以犧牲轉(zhuǎn)動速度為代價，到目前為止還沒有兩全其美的方法。 還有文獻提出了另一種方法，可以提供高轉(zhuǎn)動速度。該方法是利用一個位置變化
的微步進來對應(yīng)若干低轉(zhuǎn)動速度，第二個較大一些的微步進來對應(yīng)若干較高的轉(zhuǎn)動速度，
第三個更大的微步進來對應(yīng)若干更高轉(zhuǎn)動速度，以此類推。但是，它沒有以一種連續(xù)的方式
來改變微步進的大小，而是根據(jù)轉(zhuǎn)動速度的范圍，在一些預(yù)定大小的微步進中進行選擇，沒
有更大的微步進，由此導(dǎo)致過度的機械振動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微電機轉(zhuǎn)子可高速轉(zhuǎn)動而不會加重其驅(qū)動設(shè)備機械
振動的一種微電機控制系統(tǒng)。它通過下述技術(shù)方案來予以實施 被控微電機具有一個轉(zhuǎn)子和兩定子線圈，其所述控制系統(tǒng)包括 —積分器，用以接收所述轉(zhuǎn)子的步進指令，并對該指令進行積分處理，輸出新頻率 的步進指令； 兩電流計算器，用以分別接收積分器輸出的所述步進指令，并對該步進指令進行 計算，輸出對對應(yīng)定子線圈中電流值進行控制的控制信號； 和兩個電流發(fā)生器，用以接收上述控制信號，并根據(jù)控制信號對電流頻率進行調(diào)
整，向?qū)?yīng)定子線圈輸出新頻率的電流，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)所述步進命令中的步進位置。 所述系統(tǒng)進一步的設(shè)計在于，所述新頻率大于所述微電機所驅(qū)動設(shè)備的機械主振頻率。 所述系統(tǒng)進一步的設(shè)計在于，所述兩電流計算器是正弦計算器和余弦計算器。
本發(fā)明利用一個積分器來處理轉(zhuǎn)換速度指令，電流計算器來確定需提供給定子線 圈的新的電流數(shù)值，并以一個固定的新頻率為微電機提供步進時所需的電流，該新頻率遠 遠高于任何被該微電機驅(qū)動設(shè)備的機械主振頻率。積分器，正、余弦電流計算器、電流生成 器的輸出都以這個固定的新頻率為基準，微步進的定位頻率總是高于微電機所驅(qū)動設(shè)備的 機械共振頻率，避免了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的共振。 本發(fā)明微電機微步進的幅度是不固定的。積分器輸出的步進指令是后一次步進位 置相對前一次步進位置的變化量。因此，當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度高時，微步進就大；當轉(zhuǎn)動速度 低時，微步進就小。無論對高轉(zhuǎn)動速度還是低轉(zhuǎn)動速度來說，實際上就轉(zhuǎn)子的位置變化，是 以一種連續(xù)變化的方式來實現(xiàn)的。因此，本發(fā)明就避免了在現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備中存在的最大 步進量的限制或最大轉(zhuǎn)動速度限制。在低轉(zhuǎn)換速度中，卻保持了現(xiàn)有微步進的精準度。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是現(xiàn)有微電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
下面通過附圖及具體實施例對本發(fā)明及其優(yōu)點作進一步說明。 對照圖1，本發(fā)明系統(tǒng)主要由微電機的轉(zhuǎn)子、定子線圈及一積分器、兩電流計算器和兩個電流發(fā)生器組成。本實施例中的積分器是一 RC積分電路，兩電流計算器分別采用正弦計算器和余弦計算器。 外部對轉(zhuǎn)子步進指令由轉(zhuǎn)子輸送到RC積分電路，該積分器電路對輸入的步進指令進行積分處理后將產(chǎn)生一個新頻率的步進指令，這個指令指定轉(zhuǎn)子在360度的步進周期中的位置并分別輸送到正弦計算器和余弦計算器中。該指令可以被表述成每秒在步進周期中轉(zhuǎn)動的度數(shù)，如果指令是由其它的一些單位表述的，那么積分器可以將轉(zhuǎn)動速度指令乘以一個對應(yīng)的參數(shù)。 正弦計算器和余弦計算器的輸入端分別接收積分器輸出端輸出的上述新固定頻率的步進指令，根據(jù)接收的指令進行對應(yīng)的正弦和余弦計算，計算所得函數(shù)值名義上與積分器輸出成比例。正弦值和余弦值兩計算器不作正弦和余弦值的計算，還包括種各對非線性誤差和由微電機或微電機驅(qū)動設(shè)備造成的其他特性誤差進行補償?shù)挠嬎?。由于正、余弦計算器可以計算出提供給微電機定子線圈的電流值(大小及極性)的控制信號，從而使轉(zhuǎn)子能根據(jù)步進指令轉(zhuǎn)動到對應(yīng)位置。 上述的控制微電機定子線圈電流值的控制信號由電流發(fā)生器輸入端輸入，該控制信號對電流發(fā)生器中的電流頻率進行調(diào)整，產(chǎn)生新頻率的電流通過其輸出端輸入到對應(yīng)定子線圈，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生按步進指令所要求達到新變化位置的轉(zhuǎn)動。 本發(fā)明系統(tǒng)中的積分器的輸出，正弦計算器和余弦計算器的輸出，電流生成器的電流輸出都是同樣的新頻率。 這個新頻率是設(shè)定的，它高于微電機及驅(qū)動設(shè)備中的機械主振頻率。微步進的最小值是由積分器在其輸出中提供的最小的步進值，或正、余弦計算器輸出的最小步進值，或電流生成器提供電流所產(chǎn)生的最小步進值所決定的。由于微電機在其控制系統(tǒng)中的定位是以新頻率為基準，每一次步進位置的改變是由積分器的所對應(yīng)的每一次輸出的步進指令的相對改變量決定。因此，轉(zhuǎn)動速度高，微電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度就大。反之，轉(zhuǎn)動速度低，微電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度就小。這樣，本發(fā)明實際上就以一種連續(xù)改變位置的方式來實現(xiàn)步進位置的。因此，本發(fā)明避免了在現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備中存在的步進位置的上限。同時，在低轉(zhuǎn)換速度中，卻保持了最小微步進，即保持了步進的精準性，并且最小微步進僅由積分器和正、余弦計算器及電流生成器決定。無論是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度是高還是低，每一步進的位置的指令都是采用高于微電機所驅(qū)動設(shè)備的機械主共振頻率的新頻率，避免加重機械共振。
需要指出的是，盡管圖1將積分器和正弦、余弦計算器描述成單獨分離的裝置，但這些裝置可以由一個單一微機來完成，例如一數(shù)字計算機來完成。 上述實施例是采用一個新的頻率，這個頻率是根據(jù)所采用的微電機和其控制系統(tǒng)
5來決定。其設(shè)置的要點是該頻率應(yīng)該高于被該微電機所驅(qū)動的系統(tǒng)的機械主振頻率，以此 避免加重機械共振。
權(quán)利要求
一種微電機控制系統(tǒng)，所述微電機具有一個轉(zhuǎn)子和兩定子線圈，其特征在于該微電機所述控制系統(tǒng)包括一積分器，用以接收所述轉(zhuǎn)子的步進命令，并對該命令進行積分處理，輸出新頻率的步進命令；兩電流計算器，用以接收積分器輸出的所述步進命令，并對該步進命令進行計算，輸出對對應(yīng)定子線圈中電流值進行控制的控制信號；和兩個電流發(fā)生器，用以接收上述控制信號，并根據(jù)控制信號對電流頻率進行調(diào)整，向?qū)?yīng)定子線圈輸出新頻率的電流，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)所述步進命令中的步進位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述新頻率大于所述微電 機所驅(qū)動設(shè)備的機械主振頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述兩電流計算器是正弦 計算器和余弦計算器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微電機控制系統(tǒng)。微電機具有一個轉(zhuǎn)子和兩定子線圈，其所述控制系統(tǒng)包括一積分器，用以接收所述轉(zhuǎn)子的步進命令，并對該命令進行積分處理，輸出新頻率的步進命令；兩電流計算器，用以分別接收積分器輸出的所述步進命令，并對該步進命令進行計算，輸出對對應(yīng)定子線圈中電流進行控制的控制信號；和兩個電流發(fā)生器，用以接收上述控制信號，并根據(jù)控制信號對電流頻率進行調(diào)整，向?qū)?yīng)定子線圈輸出所述新頻率的電流，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)所述步進命令中的步進位置。本發(fā)明利用一個新頻率為微電機步進提供電流，該新頻率遠遠高于任何被該微電機驅(qū)動的系統(tǒng)的機械主振頻率，避免了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的共振。
文檔編號H02P8/22GK101777864SQ20091026473
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者彭文峰 申請人:彭文峰