CN104020785B - 一种步进电机位置纠偏系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进电机位置纠偏系统及其方法，至少包括：包括微控制单元、步进电机、步进电机驱动器和霍尔开关；所述步进电机驱动器用于在所述微控制单元的控制下驱动所述步进电机运转；所述步进电机用于触发所述霍尔开关的触发器的翻转，并将触发时对应的步进电机位置传送至所述微控制单元；所述霍尔开关用于将触发时的霍尔位置传送至所述微控制单元；所述微控制单元判断是否进行步进电机的位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。本发明的步进电机位置纠偏系统及其方法能够自动纠正位置，且系统简单、成本少、便于控制，无累积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

Description

一种步进电机位置纠偏系统及其方法

技术领域

本发明涉及步进电机的技术领域，特别是涉及一种步进电机位置纠偏系统及其方法。

背景技术

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。具体地，步进电机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或线位移的数模转换元件。当有脉冲输入时，它就相应地运行一步。

在高精度位置控制系统中，既要求高速运动的快捷性，又要求低速运动的平稳性。交流伺服电机也能满足如上要求，但是具有价格高、控制电路复杂、入门慢等缺点。相比较而言，步进电机成本低、控制简单、工作可靠，因而具有广泛的应用前景。但是在步进电机的运行过程中，由于转速不够稳定而带来的运动振荡，使得电机出力容易受到驱动电流、外界振动、电磁干扰的影响。长期频繁运动的步进电机容易出现失步，导致位置控制精度降低。

现有技术中，有不少方法可以提高步进电机的控制精度，其中包括：

(1)采用细分驱动技术，减少振动，提高步距精度；

(2)加大驱动电流，增加驱动力；

(3)采用闭环控制系统，进行位置反馈纠偏。

然而，前两种方法从前期预防的角度考虑，无法从根本上解决问题；后一种方法具有系统复杂，成本高的缺点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种步进电机位置纠偏系统及其方法，其采用简易的闭环回路和软件纠偏，适用于不需要实时调节位置精度的控制系统中。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种步进电机位置纠偏系统，至少包括：包括微控制单元、步进电机、步进电机驱动器和霍尔开关；所述步进电机驱动器与所述微控制单元和所述步进电机相连，用于在所述微控制单元的控制下驱动所述步进电机运转；所述步进电机与所述霍尔开关和所述微控制单元相连，用于触发所述霍尔开关的触发器的翻转，并将触发时对应的步进电机位置传送至所述微控制单元；所述霍尔开关与所述微控制单元相连，用于将触发时的霍尔位置传送至所述微控制单元；所述微控制单元判断是否进行步进电机的位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。

根据上述的步进电机位置纠偏系统，其中：所述霍尔开关的个数为两个，所述两个霍尔开关均与所述微控制单元和所述步进电机相连，且所述两个霍尔开关不能同时被触发。

进一步地，根据上述的步进电机位置纠偏系统，其中：所述两个霍尔开关触发的极性在同一方向步进时是相反的。

进一步地，根据上述的步进电机位置纠偏系统，其中：所述两个霍尔开关的结构相同。

根据上述的步进电机位置纠偏系统，其中：所述霍尔开关为非接触式霍尔开关。

同时本发明还提供一种步进电机位置纠偏方法，其包括以下步骤：

步骤S1：对霍尔开关的霍尔位置进行无失步的学习，确定霍尔开关跳变沿对应的步进电机的位置；

步骤S2：在步进电机运转时捕获到霍尔开关的跳变沿时，判断霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置的大小，当(霍尔位置*步进电机运动方向)≥(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，流程结束；当(霍尔位置*步进电机运动方向)＜(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，进入步骤S3；其中，当步进电机从位置0向最大位置处运动时，步进电机运动方向取值为1，当步进电机从最大位置向位置0处运动时，步进电机运动方向取值为-1；

步骤S3：当霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差不大于预设阈值时，流程结束；当霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差大于预设阈值时，进入步骤S4；

步骤S4：若步进电机在加速或匀速过程中，不进行纠偏；若步进电机在减速过程中，进行纠偏。

根据上述的步进电机位置纠偏方法，其中：步骤S1中，确定霍尔开关跳变沿对应的步进电机的位置的方法为：控制步进电机从步进电机坐标系的位置0走到步进电机坐标系的最大位置，再从步进电机坐标系的最大位置走回到步进电机坐标系的位置0，并对过程中霍尔跳变沿对应的步进电机位置进行记录。

根据上述的步进电机位置纠偏方法，其中：在步进电机运转过程中，通过键盘中断或端口查询方式来捕获霍尔开关的跳变沿。

根据上述的步进电机位置纠偏方法，其中：所述霍尔开关的个数为一个或两个。

进一步地，根据上述的步进电机位置纠偏方法，其中：若为两个霍尔开关，则所述两个霍尔开关不能同时被触发，且所述两个霍尔开关触发的极性在同一方向步进时是相反的。

如上所述，本发明的步进电机位置纠偏系统及其方法，具有以下有益效果：

(1)采用非接触式的霍尔开关作为硬件闭环系统的位置反馈传感器，不需要安装到步进电机内部，简化了步进电机的生产工艺，降低了生产成本；与传统的线性位置传感器相比价格便宜，降低了原材料成本；

(2)能够自动纠正位置，系统简单、成本少；

(3)便于控制，无累积。

附图说明

图1显示为本发明的步进电机加减速运行示意图；

图2显示为本发明中霍尔开关的触发方式示意图；

图3显示为本发明的步进电机位置纠偏系统的第一优选实施例的结构示意图；

图4显示为本发明中使用两个霍尔开关时霍尔位置与步进电机坐标系统的关系示意图；

图5显示为步进电机从位置0到最大位置步进时所触发的霍尔位置的示意图；

图6显示为步进电机从最大位置到位置0步进时所触发的霍尔位置的示意图；

图7显示为本发明的步进电机位置纠偏系统的第二优选实施例的结构示意图；

图8显示为本发明的步进电机位置纠偏方法的流程图。

元件标号说明

11 微控制单元

12 步进电机

13 步进电机驱动器

14 第一霍尔开关

15 第二霍尔开关

21 微控制单元

22 步进电机

23 步进电机驱动器

24 霍尔开关

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的步进电机位置纠偏系统及其方法中，步进电机须采用加减速控制。如图1所示，在步进电机运行过程中，在0-t1期间，步进电机处于加速期；在t1-t2阶段，步进电机处于匀高速运行期；在t2-t3阶段，步进电机处于减速期。其中，加速期的加速度和减速期的减速度的大小可根据情况选择为相同或不同。

霍尔开关是一种有源磁电转换器件，其在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。如图2所示，霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值上升或下降到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。

参照图3，在本发明的第一优选实施例中，步进电机位置纠偏系统包括微控制单元11、步进电机12、步进电机驱动器13和霍尔开关14。

其中，步进电机驱动器13与微控制单元11和步进电机12相连，在微控制单元11的控制下，驱动步进电机12运转。

步进电机12与霍尔开关14和微控制单元11相连，通过自身运转触发霍尔开关14的触发器的翻转，并将触发时对应的步进电机位置传送至微控制单元11。

霍尔开关14与微控制单元11相连，将触发时的霍尔位置传送至微控制单元11。

微控制单元11根据传送来的触发时的步进电机位置和霍尔位置来判断是否进行步进电机的位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。

由上可知，该实施例的步进电机位置纠偏系统为一个硬件闭合系统。当系统工作时，在微控制单元的控制下，步进电机驱动器驱动步进电机运转，步进电机的运转时磁感应强度的变化引发霍尔开关的触发器的翻转，步进电机和霍尔开关分别将触发时的步进电机位置和霍尔位置传送至微控制单元，微控制单元再根据上述步进电机位置和霍尔位置来判断当前步进电机是否需要位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。

参照图4，在本发明的第二优选实施例中，步进电机位置纠偏系统包括微控制单元21、步进电机22、步进电机驱动器23、第一霍尔开关24和第二霍尔开关25。

其中，步进电机驱动器23与微控制单元21和步进电机22相连，在微控制单元21的控制下，驱动步进电机22运转。

步进电机22与第一霍尔开关24、第二霍尔开关25和微控制单元21相连。步进电机22的运转触发第一霍尔开关24和第二霍尔开关25的触发器的翻转，并将触发时对应的步进电机位置传送至微控制单元21。

第一霍尔开关24和第二霍尔开关25均与微控制单元21相连，设置在步进电机步进的路径上，将自身触发时的霍尔位置传送至微控制单元21。

微控制单元21根据传送来的触发时的步进电机位置和霍尔位置来判断是否进行步进电机的位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。

通常，设定步进电机的坐标为从位置0到最大位置n处延伸。两个霍尔开关设计的位置分别在步进电机坐标系的三分之一处和三分之二处，即第一霍尔开关在三分之一处，第二霍尔开关在三分之二处。在设计阶段，当两个霍尔开关的装配误差在一定范围内，即可保证了不会同时被触发。参照图4-图6，当使用两个霍尔开关时，步进电机在不同方向步进时所触发的霍尔开关的跳变沿也不同。具体地，当步进电机从位置0向最大位置步进时，将触发第一霍尔开关的上升沿和第二霍尔开关的下降沿。当步进电机从最大位置向位置0步进时，将触发第一霍尔开关的下降沿和第二霍尔开关的上升沿。

实际使用中，两个霍尔开关分别接到微控制单元的2个键盘中断口或2个端口。微控制单元根据键盘中断的中断触发确认是哪个开关的哪种边沿的触发；或通过IO端口的查询，确认哪个霍尔开关发生了边沿翻转，翻转到了哪种电平状态，从而确认使用哪个霍尔开关的霍尔位置进行纠偏判断和计算。

因此，该实施例的步进电机位置纠偏系统为一个硬件闭合系统。当系统工作时，在微控制单元的控制下，步进电机驱动器驱动步进电机运转，步进电机的运转时磁感应强度的变化引发霍尔开关的触发器的翻转，步进电机和发生翻转的霍尔开关分别将触发时的步进电机位置和霍尔位置传送至微控制单元，微控制单元再根据上述步进电机位置和霍尔位置来判断当前步进电机是否需要位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏。

需要说明的是，采用一个霍尔开关和两个霍尔开关的原理是不一样的。在实际使用中，根据应用的情况来确定霍尔开关的数量。如果步进电机的步进范围比较小，则采用一个霍尔开关。如果步进电机的步进范围比较大，且范围内所有的位置能够较为均衡的到达，则采用两个霍尔开关。在采用两个霍尔开关的情况下，霍尔开关触发的极性在同一方向步进时应当是相反的，否则的话无法判定霍尔开关触发时的位置。在本发明中霍尔开关的数量须限制在两个以内。如果霍尔开关的数量超过两个的话，不仅在成本上不具有优势，而且也无法判定当前霍尔开关触发时所对应的位置。

参照图5，本发明的步进电机位置纠偏的方法包括以下步骤：

步骤S1：对霍尔开关的霍尔位置进行无失步的学习，确定霍尔开关跳变沿对应的步进电机的位置。

具体地，在位置纠偏的反馈回路中使用霍尔开关时，需要知道步进电机坐标系与霍尔开关的对应关系。由于生产装配上的误差、马达磁环强弱的误差、PCB底板制造的误差等等，不可能在设计阶段，保证霍尔开关与马达坐标系的绝对关系。因此，在每个步进电机生产后，需要对其进行霍尔位置的学习，建立霍尔开关与步进电机坐标系的绝对关系。建立霍尔开关与马达坐标系的绝对关系最简单的方法就是控制步进电机从步进电机坐标系的位置0走到步进电机坐标系的最大位置，再从步进电机坐标系的最大位置走回到步进电机坐标系的位置0，并对过程中霍尔跳变沿对应的步进电机位置进行记录，作为后续位置纠偏的基准。

步骤S2：在步进电机运转时捕获到霍尔开关的跳变沿时，判断霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置的大小，当(霍尔位置*步进电机运动方向)≥(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，流程结束；当(霍尔位置*步进电机运动方向)＜(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，进入步骤S3。其中，当步进电机从位置0向最大位置处运动时，步进电机运动方向取值为1，当步进电机从最大位置向位置0处运动时，步进电机运动方向取值为-1。

其中，在步进电机运转过程中，通过键盘中断或端口查询方式来捕获霍尔开关的跳变沿。

具体地，采用两个霍尔开关时，在不同触发状态和不同步进电机运动方向上的纠偏状态如表1所示。

表1、两个霍尔开关时的步进电机纠偏状态

其中，×代表不补偿不纠偏，√代表可能进行补偿纠偏。

类似的，采用一个霍尔开关时，在不同触发状态和不同步进电机运动方向上的纠偏状态如表2所示。

表2、一个霍尔开关时的步进电机纠偏状态

其中，×代表不补偿不纠偏，√代表可能进行补偿纠偏。

步骤S3：当霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差不大于预设阈值时，流程结束；当霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差大于预设阈值时，进入步骤S4。

其中，霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差的预定阈值设置在微控制单元中。该预定阈值与步进电机的实际应用情况相关。

步骤S4：若步进电机在加速或匀速过程中，不进行纠偏；若步进电机在减速过程中，进行纠偏。

具体地，在步进电机从位置0走到最大位置n的过程中，触发霍尔开关时，在霍尔位置A<步进电机位置B情况下，如果步进电机位置修正为霍尔位置A，即步进电机位置从B跳变为A，有可能会出现如下几种情况：

(1)步进电机在加速过程中，由于需要步进的步数更多，维持加速度过程；

(2)步进电机在匀速过程中，由于需要步进的步数更多，维持匀速过程；

(3)步进电机在减速过程中，由于需要步进的步数增多，马达进行加速度，后续根据正常的加减速控制。

对于上述的前两种情况，步进电机的步进过程会出现折返跑的现象，且会增加软件代码处理复杂度，所以不建议在该种情况下进行位置纠偏。在第三种情况下，步进电机的步进过程不会造成折返跑现象，也不会增加较多的代码处理量，所以建议在该种情况下进行纠偏。

也就是说，若步进电机的目标位置C<霍尔位置A，或者步进电机的目标位置C<霍尔位置A+减速度的步数，不进行纠偏；若步进电机的目标位置C>＝霍尔位置A+减速度的步数，进行纠偏。

具体地，在步进电机从位置0走到最大位置n的过程中，在霍尔位置A<步进电机位置B的情况下，如果将步进电机位置修正为霍尔位置A，即步进电机位置从B跳变为A，在这一过程中有可能会出现如下几种情况：

(1)步进电机的目标位置C<霍尔位置A，则步进电机需要先减速，减速后反向步进到目标位置；

(2)步进电机的目标位置C<霍尔位置A+减速度的步数，则步进电机减速后反向步进到目标位置；

(3)步进电机的目标位置C>＝霍尔位置A+减速度的步数，则步进电机只需按照加减速方式继续步进。

其中减速度的步数为根据步进电机的不同而预先设定的值。

对于上述的前两种情况，步进电机的步进过程会出现折返跑的现象，且会增加软件代码处理复杂度，所以不建议在该种情况下进行位置纠偏。在第三种情况下，步进电机的步进过程不会造成折返跑现象，也不会增加较多的代码处理量，所以建议在该种情况下进行纠偏。

在步进电机从位置n走到最大位置0的过程中，触发霍尔开关时，在霍尔位置A>步进电机位置B情况下，如果步进电机位置修正为霍尔位置A，即步进电机位置从B跳变为A，有可能会出现如下几种情况：

(1)步进电机在加速过程中，由于需要步进的步数更多，维持加速度过程；

(2)步进电机在匀速过程中，由于需要步进的步数更多，维持匀速过程；

(3)步进电机在减速过程中，由于需要步进的步数增多，马达进行加速度，后续根据正常的加减速控制。

对于上述的前两种情况，步进电机的步进过程会出现折返跑的现象，且会增加软件代码处理复杂度，所以不建议在该种情况下进行位置纠偏。在第三种情况下，步进电机的步进过程不会造成折返跑现象，也不会增加较多的代码处理量，所以建议在该种情况下进行纠偏。

综上所述，本发明的步进电机位置纠偏系统及其方法能够自动纠正位置，且系统简单、成本少、便于控制，无累积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种步进电机位置纠偏系统的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：

所述步进电机位置纠偏系统至少包括：包括微控制单元、步进电机、步进电机驱动器和霍尔开关；

所述步进电机驱动器与所述微控制单元和所述步进电机相连，用于在所述微控制单元的控制下驱动所述步进电机运转；

所述步进电机与所述霍尔开关和所述微控制单元相连，用于触发所述霍尔开关的触发器的翻转，并将触发时对应的步进电机位置传送至所述微控制单元；

所述霍尔开关与所述微控制单元相连，用于将触发时的霍尔位置传送至所述微控制单元；

所述微控制单元判断是否进行步进电机的位置纠偏，并在需要进行位置纠偏时控制步进电机进行位置纠偏；

所述步进电机位置纠偏方法包括以下步骤：

步骤S1：对霍尔开关的霍尔位置进行无失步的学习，确定霍尔开关跳变沿对应的步进电机的位置；

步骤S2：在步进电机运转时捕获到霍尔开关的跳变沿时，判断霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置的大小，当(霍尔位置*步进电机运动方向)≥(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，流程结束；当(霍尔位置*步进电机运动方向)＜(当前的步进电机位置*步进电机运动方向)时，进入步骤S3；其中，当步进电机从位置0向最大位置处运动时，步进电机运动方向取值为1，当步进电机从最大位置向位置0处运动时，步进电机运动方向取值为-1；

步骤S3：当霍尔开关的霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差不大于预设阈值时，流程结束；当霍尔位置与当前的步进电机位置间的误差大于预设阈值时，进入步骤S4；

步骤S4：若步进电机在加速或匀速过程中，不进行纠偏；若步进电机在减速过程中，进行纠偏。

2.根据权利要求1所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：步骤S1中，确定霍尔开关跳变沿对应的步进电机的位置的方法为：控制步进电机从步进电机坐标系的位置0走到步进电机坐标系的最大位置，再从步进电机坐标系的最大位置走回到步进电机坐标系的位置0，并对过程中霍尔跳变沿对应的步进电机位置进行记录。

3.根据权利要求1所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：在步进电机运转过程中，通过键盘中断或端口查询方式来捕获霍尔开关的跳变沿。

4.根据权利要求1所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：所述霍尔开关的个数为一个或两个。

5.根据权利要求4所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：若为两个霍尔开关，则所述两个霍尔开关不能同时被触发，且所述两个霍尔开关触发的极性在同一方向步进时是相反的。

6.根据权利要求1所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：所述霍尔开关的个数为两个，所述两个霍尔开关均与所述微控制单元和所述步进电机相连，且所述两个霍尔开关不能同时被触发。

7.根据权利要求6所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：所述两个霍尔开关触发的极性在同一方向步进时是相反的。

8.根据权利要求6所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：所述两个霍尔开关的结构相同。

9.根据权利要求1或6所述的步进电机位置纠偏方法，其特征在于：所述霍尔开关为非接触式霍尔开关。