CN101938241B - 一种步进电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机控制系统及其控制方法，它由控制器、步进电机驱动器、步进电机、传动机构、负载、和光电码盘组成，所述控制器送给所述驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号并作用到所述步进电机，步进电机通过驱动机构带动负载，光电码盘反馈位置信息传给控制器。本发明通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性。

Description

一种步进电机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种步进电机控制系统及其控制方法。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。现有步进电机控制系统，大多开环控制，或采用完全的闭环控制，其中开环控制，精度和性能不能保证，闭环控制算法则比较复杂，增加设计调试周期和成本。不能满足工程生产对步进电机的需求。

发明内容

本发明提供一种低成本、高定位精度、高适用性的步进电机控制系统及其控制方法。

一种步进电机控制系统，由控制器、步进电机驱动器、步进电机、传动机构、负载、和光电码盘组成，所述控制器送给所述驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号并作用到所述步进电机，步进电机通过驱动机构带动负载，光电码盘反馈位置信息传给控制器。

所述步进电机为直流5相步进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。

一种步进电机控制系统的控制方法，它包括以下步骤：

a.首先控制速度，依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度，以实现慢速启动，慢速停止，防止失步；

b.在控制器接收到位置控制指令后，控制器首先计算出到目标位置要行进的电机步数M；

c.在运行过程中，电机接收到一个脉冲，转动一步，M减1，M不断减小，直到为0，为补偿空回，主要是传动机构的空回，要根据码盘反馈的位置数值对M值进行校正；

d.M值的校正，要根据处理器的执行速度和最高脉冲频率综合考虑，在低速时进行M值的校正，同时对电机的速度进行重设，根据运行速度和M值进行计算，避免慢速爬行停止和骤停；

e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止，防止失步及过冲，充分利用步进电机的特性，最大限度提高其运行性能，由于空回过大或其他原因如卡制造成失步，系统具有失步检测功能，能够在调试阶段对传动机构进行有效指导，在运行阶段可以发出故障信息便于查找问题；

f.当M≤0时，电机停止运行，通过d步骤的码盘校正，已经补偿了空回的影响，但可能存在停止过冲，所以对精度要求较高的场合和应用，还要进行过冲补偿，根据负载的惯性，可以估计过冲停止时间K毫秒，在脉冲停止K＝100毫秒后，负载最终停止，此时根据码盘计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目标位置，此时因为距离很近，所以速度很低，过冲满足精度要求，此过程可进行1-3次，不会出现震荡现象。

本发明通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性。要实现高适用性，即在一定场合下，采用空回补偿和过冲补偿，提升定位精度，但在其他一些场合，不需要高的定位精度，此时则可以不进行空回补偿和过冲补偿，即纯粹的开环控制，提高了运行效果和故障适用性。如步进电机控制的摄像转台系统中，传动机构为蜗轮蜗杆，在预置位和扫描搜索等要求高定位精度的模式下，要采用空回补偿和过冲补偿，而在单杆和自动跟踪模式下，不需要较高的定位精度，需要较好的运行效果，就不进行空回补偿和过冲补偿，在这种情况下，即使码盘出现了问题，不致于系统完全瘫痪，依然可以进行基本的控制。本控制系统，在保证精度和运行效果的情况下降低成本，控制算法简单可靠，耐用性好，根据不同的运行模式选择不同的控制，即使在测角装置出现问题，系统仍然可以满足基本的运行要求，总体性价比高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明步进电机控制系统基本组成示意图；

图2是本发明步进电机控制系统所依据的速度指数曲线图；

图3是本发明步进电机控制系统控制流程图；

图4是本发明步进电机控制系统失步检测流程图；

图5是本发明步进电机控制系统2轴运动控制系统示意图。

具体实施方式

本系统组成如附图1所示，由控制器，步进电机驱动器，步进电机、传动机构、负载、和光电码盘组成，控制器送给驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号，码盘反馈位置信息给控制器，步进电机为直流5相步进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。系统通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性。

要实现高精度的位置控制和运行效果，同时避免复杂的控制算法，采用以下方法：

a.首先速度控制依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度，以实现慢速启动，慢速停止，防止失步，运行平稳的效果，指数曲线图如附图2；

b.在控制器接收到位置控制指令后，首先计算出到目标位置要行进的电机步数M，参见附图3。

c.在运行过程中，电机接收到一个脉冲，转动一步，M减1，M不断减小，直到为0。为补偿空回，主要是传动机构的空回，要根据码盘反馈的位置数值对M值进行校正。

d.M值的校正，要根据处理器的执行速度和最高脉冲频率综合考虑，如果频率过高，处理速度跟不上，M值和实际值就有较大误差，从而影响精度和效果，所以要在低速时进行M值的校正，同时对电机的速度进行重设，根据目前的运行速度和M值进行计算，避免慢速爬行停止和骤停。

e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止，防止失步及过冲，充分利用步进电机的特性，最大限度提高其运行性能。由于空回过大或其他原因如卡制造成失步，系统具有失步检测功能，能够在调试阶段对传动机构进行有效指导，在运行阶段可以发出故障信息便于查找问题。

f.当M≤0时，电机停止运行，通过4＞的码盘校正，已经补偿了空回的影响，但可能存在停止过冲，所以对精度要求较高的场合和应用，还要进行过冲补偿，根据负载的惯性，可以估计过冲停止时间K毫秒，在脉冲停止K＝100毫秒后，负载最终停止，此时根据码盘计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目标位置，此时因为距离很近，所以速度很低，所以过冲满足精度要求，此过程可进行1-3次，不会出现震荡现象。

要实现高适用性，即在一定场合下，采用空回补偿和过冲补偿，提升定位精度，但在其他一些场合，不需要高的定位精度，此时则可以不进行空回补偿和过冲补偿，即纯粹的开环控制，提高了运行效果和故障适用性，参见附图3。如步进电机控制的摄像转台系统中，传动机构为蜗轮蜗杆，在预置位和扫描搜索等要求高定位精度的模式下，要采用空回补偿和过冲补偿，而在单杆和自动跟踪模式下，不需要较高的定位精度，需要较好的运行效果，就不进行空回补偿和过冲补偿，在这种情况下，即使码盘出现了问题，不致于系统完全瘫痪，依然可以进行基本的控制.

失步补偿检测：由于传动机构空回，系统咔制等原因，步进电机就会出现失步现象。为避免失步，需要做几方面的工作：一是早期对机械传动机构的研磨校正，尽可能减小空回，这需要失步检测，二，在运行阶段，由于长期运转造成空回量增加引起失步，此时一方面要检测到失步并上传故障信息，同时对失步量进行检测补偿，保证系统依然能够正常运行，不影响运行效果。

当系统出现异常咔滞，无法转动时，系统严重失步，此时上传故障信息。具体失步检测流程如附图4所示。电机每转N步，即根据码盘反馈数值计算等效电机步数N1并判断一次，如果偏差过大，大于K，则认为电机失步，此时即根据失步程度采取降速处理，使其不至于出现脉冲速度与负载速度不匹配引起继发性失步，同时把失步次数计数器T加1，并上传失步故障，判断T值是否大于3，即是否连续3次失步，如果是既认为出现咔滞堵转，停止运行并上报故障信息，如果|N-N1|值偏差小于参量K，则认为没有失步，各标志N，N1，T清零重新下一次判断。

本控制系统，在保证精度和运行效果的情况下降低成本，控制算法简单可靠，耐用性好，根据不同的运行模式选择不同的控制，即使在测角装置出现问题，系统仍然可以满足基本的运行要求，总体性价比高。根据上述技术方案，设计2轴摄像转台步进电机控制系统，方位和俯仰轴分别采用一套5相步进电机加细分驱动器、2500线光电码盘、蜗轮蜗杆传动机构及限位开关，一块运动控制卡实现对方位轴和俯仰轴的控制功能，实现各种运动控制模式，摇杆控制模式、预置位模式、扫描、搜索模式以及自动跟踪模式等，其中摇杆模式不需要很高的定位精度，所以采用开环控制，以达到较高的运行效果，预置位模式需要很高的定位精度，所以采用模糊控制，加上空回补偿、停止过冲补偿以及码盘反馈，各种模式下都采用失步检测功能。系统成本低，定位精度高，适应性好，性价比高。系统组成如附图5所示。

Claims (1)

1.一种步进电机控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a.首先控制速度，依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度；

b.在控制器接收到位置控制指令后，控制器首先计算出到目标位置要行进的电机步数M；

c.在运行过程中，电机每接收到一个脉冲，转动一步，M减1，直到为0；

d.M值的校正，根据码盘反馈的位置数值以及步进电机驱动器中处理器的执行速度和最高脉冲频率在低速时进行M值的校正，根据运行速度和M值进行计算，对电机的速度进行重设；

e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止；

f.当M＝0时，电机停止运行，进行过冲补偿，即根据码盘计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目标位置，该过冲补偿进行1-3次。

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