CN102904512B - 一种步进电机的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进电机的控制系统及控制方法，其中系统包括：控制器，用于产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；数字信号处理模块，与所述控制器相连接，用于接收所述控制指令，将所述控制指令转化为所述两相混合式步进电机的运行参数，由所述运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线；电机驱动模块，与所述数字信号处理模块相连接，用于将所述脉冲信号进行功率放大，根据放大后的所述脉冲信号驱动所述两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。本发明实施例可防止了两相混合式步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得两相混合式步进电机能够精确地运行到指定位置。

Description

一种步进电机的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种步进电机的控制系统及控制方法。

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，步进电机的转速、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，即给步进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，使得步进电机在速度、位置等控制领域实现更简单。然而，由于步进电机是一种精确的数字控制执行机构，在步进电机启动或加速时，若步进脉冲变化太快，转子由于惯性跟不上电信号的变化，则可能产生堵转或失步，在步进电机停止或减速时，由于以上相同原因则可能产生超步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种步进电机的控制方法及控制系统，实现对步进电机加速、匀速、减速三个阶段运动的精确控制。

本发明实施例提供一种步进电机的控制方法，包括：

控制器，用于产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；

数字信号处理模块，与所述控制器相连接，用于接收所述控制指令，将所述控制指令转化为所述两相混合式步进电机的运行参数，由所述运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，所述运行参数包括所述两相混合式步进电机的旋转方向、所述两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及所述两相混合式步进电机的最大速度；

电机驱动模块，与所述数字信号处理模块相连接，用于将所述脉冲信号进行功率放大，根据放大后的所述脉冲信号驱动所述两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位。

本发明实施例还提供一种步进电机的控制系统，包括：

通过控制器产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；

通过数字信号处理模块接收所述控制指令，将所述控制指令转化为所述两相混合式步进电机的运行参数，由所述运行参数控制产生的指数型加减速曲线脉冲信号，所述运行参数包括所述两相混合式步进电机的旋转方向、所述两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及所述两相混合式步进电机的最大速度；

通过电机驱动模块将所述脉冲信号进行功率放大，根据放大后的所述脉冲信号驱动所述两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。

本发明提供的步进电机的控制方法及控制系统，通过数字信号处理模块将来自控制器的控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，使得电机驱动模块驱动两相混合式步进电机的运动速度符合指数型加减速曲线，从而控制两相混合式步进电机的运动经过加速、匀速、减速三个阶段，防止了两相混合式步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得两相混合式步进电机能够精确地运行到指定位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明步进电机的控制系统一个实施例的结构示意图；

图2为本发明步进电机的控制系统又一个实施例的结构示意图；

图3为本发明步进电机的控制方法一个实施例的流程示意图；

图4为本发明实施例中所适用的指数型加减速曲线；

图5为本发明实施例中的两相混合式步进电机的速度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明步进电机的控制系统一个实施例的结构示意图；如图1所示，本发明实施例具体包括：控制器11、与控制器11相连接的数字信号处理模块12、与数字信号处理模块12相连接的电机驱动模块13。

其中，控制器11产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；数字信号处理模块12接收该控制指令，将该控制指令转化为该两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，其中，运行参数包括该两相混合式步进电机的旋转方向、该两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及该两相混合式步进电机的最大速度；电机驱动模块13将该脉冲信号进行功率放大，根据放大后的该脉冲信号驱动该两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。

本发明实施例提供的步进电机的控制系统，通过数字信号处理模块12将来自控制器11的控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，使得电机驱动模块13驱动两相混合式步进电机的运动速度符合指数型加减速曲线，从而控制两相混合式步进电机的运动经过加速、匀速、减速三个阶段，防止了两相混合式步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得两相混合式步进电机能够精确地运行到指定位置。

图2为本发明步进电机的控制系统又一个实施例的结构示意图；如图2所示，本发明实施例包括：控制器21、数字信号处理模块22、电机驱动模块23、光电编码器24、正交编码电路25。

其中，控制器21产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；数字信号处理模块22与控制器21相连接，用于接收来自控制器21的控制指令，将控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由该运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，该运行参数包括两相混合式步进电机的旋转方向、两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及两相混合式步进电机的最大速度；电机驱动模块23与数字信号处理模块22相连接，用于将该脉冲信号进行功率放大，根据放大后的脉冲信号驱动两相混合式步进电机以该旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。

光电编码器24在两相混合式步进电机运动时产生两路正交编码脉冲信号；正交编码电路25对两路正交编码脉冲信号进行上升沿和下降沿计数，并且在每个上升沿和下降沿产生一个时钟脉冲为设置在数字信号处理模块22中的第二定时器提供时钟信号，使得数字信号处理模块22根据该时钟信号获取两相混合式步进电机运动的位移和速度信息，与控制器21发送的控制指令进行比较，根据比较结果调整两相混合式步进电机当前执行的动作。

进一步地，电机驱动模块23根据脉冲信号控制两相混合式步进电机从所述起始位置到第一位置进行加速运动，从第一位置到第二位置进行匀速运动，从第二位置到所述终点位置进行减速运动。

进一步地，两相混合式步进电机对应的旋转圈数包括第一旋转圈数和第二旋转圈数，数字信号处理模块22还可以包括：第一计算单元221、第二计算单元222；其中，第一计算单元221根据该最大速度将加速运动阶段对应的加速段等分为第一个数的子段，计算两相混合式步进电机在每一子段对应的第一旋转圈数；第二计算单元222根据所述最大速度将减速运动阶段对应的减速段等分为第二个数的子段，计算两相混合式步进电机在每一子段对应的第二旋转圈数。

进一步地，光电编码器24可以包括：光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路；其中，检测光栅上刻有两组与码盘相对应的透光缝隙，所述透光缝隙的节距和所述码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开透光缝隙的1/4；当码盘随着两相混合式步进电机的转轴转动时，来自光源的光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件输出两组相位相差90°电度角的正弦波的电信号；转换电路用于对电信号进行信号处理，得到两相混合式步进电机的位移和速度信息，光电编码器的结构描述具体可以参见现有技术的记载，本发明实施例不再赘述。

本发明实施例提供的步进电机的控制系统本发明实施例提供的步进电机的控制系统，通过数字信号处理模块22将来自控制器21的控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，使得电机驱动模块23驱动两相混合式步进电机的运动速度符合指数型加减速曲线，从而控制两相混合式步进电机的运动经过加速、匀速、减速三个阶段，防止了两相混合式步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得两相混合式步进电机能够精确地运行到指定位置。

图3为本发明步进电机的控制方法一个实施例的流程示意图，图1和图2所示实施例中的步进电机的控制系统可以实现本发明实施例中的方法流程；如图3所示，本发明实施例包括如下步骤：

步骤301、通过控制器产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；

步骤302、通过数字信号处理模块接收该控制指令，将该控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减曲线，其中，运行参数包括所述两相混合式步进电机的旋转方向、两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及两相混合式步进电机的最大速度；

步骤303、通过电机驱动模块将该脉冲信号进行功率放大，根据放大后的脉冲信号驱动两相混合式步进电机以该旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。

本发明实施例提供的步进电机的控制方法，通过数字信号处理模块将来自控制器的控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，使得两相混合式步进电机的运动速度符合指数型加减速曲线，从而控制两相混合式步进电机的运动经过加速、匀速、减速三个阶段，防止了两相混合式步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得两相混合式步进电机能够精确地运行到指定位置。

进一步地，在上述图3所示实施例中，脉冲信号控制两相混合式步进电机从起始位置到第一位置进行加速运动，从第一位置到所述第二位置进行匀速运动，从第二位置到所述终点位置进行减速运动。

进一步地，在上述图3所示实施例中，该方法还包括：

所述数字信号处理模块根据所述最大速度将加速运动阶段对应的加速段等分为第一个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第一旋转圈数；

所述数字信号处理模块根据所述最大速度将减速运动阶段对应的减速段等分为第二个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第二旋转圈数。

进一步地，在上述图3所示实施例中，步骤302中的根据所述运行参数采用指数型加减曲线产生脉冲信号的步骤还可以包括：

数字信号处理模块根据所述第一旋转圈数和所述第二旋转圈数控制设置在所述数字信号处理模块中的第一定时器的周期中断，从而控制所述脉冲信号的频率，实现对所述两相混合式步进电机的加减速控制。

进一步地，在上述图3所示实施例中，所述方法还包括：

通过光电编码器在所述两相混合式步进电机运动时产生两路正交编码脉冲信号；

通过正交编码电路对所述两路正交编码脉冲信号进行上升沿和下降沿计数，并且在每个上升沿和下降沿产生一个时钟脉冲为设置在所述数字信号处理模块中的计时器提供时钟信号，使得所述数字信号处理模块根据所述时钟信号获取所述两相混合式步进电机运动的位移和速度信息，与所述控制器发送的所述控制指令进行比较，根据比较结果调整所述两相混合式步进电机当前执行的动作。

为了更清楚的理解本发明实施例的技术方案，下面通过图4和图5对本发明实施例进行示例性描述。

图4为本发明实施例中所适用的指数型加减速曲线，图5为本发明实施例中的两相混合式步进电机的速度曲线图；为了防止步进电机启动时的失步和停止时的过冲，步进电机的运行要经过加速、匀速、减速三个阶段，并且要求加减速过程时间尽量短,恒速时间尽量长。为了满足加减速控制的要求，本发明实施例采用指数型加减速曲线来控制步进电机，如图4所示，步进电机的速度V(t)的数学方程式为：

$V\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\max }(1-e^{-t/\mathrm{\&tau;}})& 0\&le;t<t_1\\ V_{\max }& t_1\&le;t<t_2\\ V_{\max }{e}^{-t/\mathrm{\&tau;}}& t_2\&le;t<t_3\end{array}\right.---(1-1)$

在式（1-1）中，V(t)为步进电机的实际运行速度，V_max为步进电机运行的最大速度，τ为决定加减速快慢的时间常数。

如图5所示，本发明实施例中，由步进电机带动的负载平台每次运动的距离是固定的，因此可取4个参考点即起始位置、第一位置、第二位置、终点位置，用阶梯型加减速曲线来拟合指数型加减速曲线，如图5所示。步进电机在起始位置加速运动到第一位置，根据最大速度V_max，将加速段等分为m个（可视为本发明实施例中的第一个数）子段，每个子段速度下步进电机旋转的第一旋转圈数为Q1/m；在第一位置和第二位置之间匀速运动；在第二位置减速运动到终点位置，根据最大速度，将减速段等分为n个（可视为本发明实施例中的第二个数）子段，每个子段速度下电机旋转的第二旋转圈数为（Q3-Q2）/n。

数字信号处理模块通过控制第一定时器的周期中断来控制脉冲信号的频率，改变中断次数，从而可以实现步进电机的加减速控制。进一步地，数字信号处理模块中的第一定时器每隔N次中断，数字信号处理模块输出一拍脉冲信号。通过改变中断次数N的值，从而可以改变数字信号处理模块输出的脉冲信号的频率，从而能够控制步进电机运行的速度。

本发明实施例中，若步进电机每转一圈光电编码器产生1600个两路正交编码脉冲信号，正交编码电路对两路正交编码脉冲信号进行上升沿和下降沿计数，并且在每个上升沿和下降沿产生一个时钟脉冲，从而为设置在数字信号处理模块中的第二定时器提供时钟信号，使得第二定时器每隔ΔT的时间读取一次光电编码器产生的两路正交编码脉冲信号的个数，假设相邻两次读取两路正交编码脉冲信号的个数的变化为ΔM，并且经过时间ΔT，则步进电机转过的角度Δθ为：

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&Delta;M}}{1600}\&times;2\mathrm{\&pi;}---(1-2)$

步进电机的转速n为：

$n=\frac{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}\&times;\mathrm{\&Delta;}T}\&times;60=\frac{\mathrm{\&Delta;M}}{1600\&times;\mathrm{\&Delta;\&theta;}}\&times;60\left(\mathrm{rmp}\right)---(1-3)$

式（1-3）中的单位为rm，即每分钟步进电机旋转了n圈。

综上，通过数字信号处理模块将来自控制器的控制指令转化为步进电机的运行参数，并且由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，使得步进电机的运动速度符合指数型加减速曲线，从而控制步进电机的运动经过加速、匀速、减速三个阶段，防止了步进电机启动时的失步和停止时的过冲，使得步进电机能够精确地运行到指定位置。

此外，本发明实施例具体可以应用在酶联免疫分析仪中的自动装载架系统，步进电机在加减速过程运行平稳，从而避免了可能发生的失步或过冲问题，并且能精确运行到指定位置根据系统要求；当然，本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例同样适用于其他需要步进电机进行驱动的场合。。

本领域技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种步进电机的控制系统，其特征在于，所述系统包括：

控制器，用于产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；

数字信号处理模块，与所述控制器相连接，用于接收所述控制指令，将所述控制指令转化为所述两相混合式步进电机的运行参数，由所述运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线，所述运行参数包括所述两相混合式步进电机的旋转方向、所述两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及所述两相混合式步进电机的最大速度；

电机驱动模块，与所述数字信号处理模块相连接，用于将所述脉冲信号进行功率放大，根据放大后的所述脉冲信号驱动所述两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置；

其中，所述两相混合式步进电机对应的旋转圈数包括第一旋转圈数和第二旋转圈数，所述数字信号处理模块还包括：

第一计算单元，用于根据所述最大速度将所述指数型加减速曲线对应的加速运动阶段对应的加速段等分为第一个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第一旋转圈数；

第二计算单元，用于根据所述最大速度将所述指数型加减速曲线对应的减速运动阶段对应的减速段等分为第二个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第二旋转圈数；

所述数字信号处理模块还用于根据所述第一旋转圈数和所述第二旋转圈数控制设置在所述数字信号处理模块中的第一定时器的周期中断，从而控制所述脉冲信号的频率，实现对所述两相混合式步进电机的加减速控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述电机驱动模块根据所述脉冲信号控制所述两相混合式步进电机从所述起始位置到第一位置进行加速运动，从所述第一位置到第二位置进行匀速运动，从所述第二位置到所述终点位置进行减速运动。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

光电编码器，用于在所述两相混合式步进电机运动时产生两路正交编码脉冲信号；

正交编码电路，用于对所述两路正交编码脉冲信号进行上升沿和下降沿计数，并且在每个上升沿和下降沿产生一个时钟脉冲为设置在所述数字信号处理模块中的第二定时器提供时钟信号，使得所述数字信号处理模块根据所述时钟信号获取所述两相混合式步进电机运动的位移和速度信息，与所述控制器发送的所述控制指令进行比较，根据比较结果调整所述两相混合式步进电机当前执行的动作。

4.一种步进电机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

通过控制器产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；

通过数字信号处理模块接收所述控制指令，将所述控制指令转化为所述两相混合式步进电机的运行参数，由所述运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减曲线，所述运行参数包括所述两相混合式步进电机的旋转方向、所述两相混合式步进电机对应的旋转圈数以及所述两相混合式步进电机的最大速度；

通过电机驱动模块将所述脉冲信号进行功率放大，根据放大后的所述脉冲信号驱动所述两相混合式步进电机以所述旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置；

其中，所述方法还包括：

所述数字信号处理模块根据所述最大速度将加速运动阶段对应的加速段等分为第一个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第一旋转圈数；

所述数字信号处理模块根据所述最大速度将减速运动阶段对应的减速段等分为第二个数的子段，计算所述两相混合式步进电机在每一子段对应的第二旋转圈数；

其中，根据所述运行参数采用指数型加减曲线产生脉冲信号的步骤包括：

数字信号处理模块根据所述第一旋转圈数和所述第二旋转圈数控制设置在所述数字信号处理模块中的第一定时器的周期中断，从而控制所述脉冲信号的频率，实现对所述两相混合式步进电机的加减速控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号控制所述两相混合式步进电机从所述起始位置到第一位置进行加速运动，从所述第一位置到第二位置进行匀速运动，从所述第二位置到所述终点位置进行减速运动。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过光电编码器在所述两相混合式步进电机运动时产生两路正交编码脉冲信号；

通过正交编码电路对所述两路正交编码脉冲信号进行上升沿和下降沿计数，并且在每个上升沿和下降沿产生一个时钟脉冲为设置在所述数字信号处理模块中的计时器提供时钟信号，使得所述数字信号处理模块根据所述时钟信号获取所述两相混合式步进电机运动的位移和速度信息，与所述控制器发送的所述控制指令进行比较，根据比较结果调整所述两相混合式步进电机当前执行的动作。