CN104579056B - 一种补偿步进电机位置误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种补偿步进电机位置误差的方法，其包括：对步进电机的绕组电流进行采样并输出待检测电流；对待检测电流进行分析获得待检测电流的微分；根据该电流的电流微分，以及差分放大器的输出值确定发生了一次由失步引起的位置误差后，通过分析电流微分确定失步数，并由失步数确定位置误差的补偿量，进而对步进电机的位置误差进行补偿。由于采用的是对定子励磁绕组的电流进行检测与分析来计算补偿量，因此避免了使用昂贵的编码器以及编码器占用空间的问题，也解决了不能确定位置误差是否是由于失步引起的问题。

Description

一种补偿步进电机位置误差的方法

技术领域

本发明涉及一种自动化设备，尤其涉及一种步进式电机。

背景技术

目前，步进电机被广泛应用于打印机、复印机这样的自动化设备中。步进电机在脉冲的驱动下转动，因而可以在没有反馈信号的情况下进行位置控制。一般而言，步进电机的控制精度决定于它的最小步距角。同时，步进电机工作在特定的频率时会发生共振。自20世纪70年代中叶以来，微步细分驱动技术被引入来改善步进电机的共振问题。微步细分操作是给定子励磁绕组输入正弦交流电流，藉此可以改善位置控制的性能同时减弱速度提升时共振的影响。应用微控制器，一台步进电机可以进行特定而细致的操作。同时，使用反馈控制以及SVPWM控制可以提升步进电机运行的精度。

尽管如此，当外加负载波动和环境状况变化时，步进电机还是可能会产生位置误差。这会对要求精确位置控制的装置造成严重的损害。因此，像编码器这样的位置传感器被用来改善步进电机的运行性能。但是，用于高精度控制的编码器的价格过于昂贵，同时又需要额外的空间来安装编码器。更重要的是，尽管编码器可以提供位置数据，但是我们无法从这些数据中确认引起位置误差的原因是由于步进电机失步还是其他的一些因素造成的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以确定失步电机的位置误差原因的补偿步进电机位置误差的方法。

一种补偿步进电机位置误差的方法，其包括：对步进电机的绕组电流进行采样并输出待检测电流；对待检测电流进行分析获得待检测电流的微分；在待检测电流的微分由负值变为正值时，待检测电流对应的电压值大于参考电压的值；或者，在待检测电流的微分由正值变为负值时，待检测电流对应的电压值小于参考电压的值，则确定发生了一次由失步引起的位置误差；确定发生了由失步引起的位置误差后，通过分析待检测电流的微分确定失步数；根据失步数确定位置误差的补偿量；根据补偿量对步进电机的位置误差进行补偿。

本发明的具体实施方式采用绕组的电流进行采样分析分析，确定步进电机的位置误差是由于失步引起的，并由此确定位置误差的补偿量，从而对步进电机的位置命令脉冲进行校正。由此，本发明的具体实施方式避免了使用昂贵的编码器，也解决了采用编码器需占用电机空间的问题，同时，还能确定位置误差是否是由于失步引起的，从而便于对步进电机的位置命令脉冲进行校正。

附图说明

图1是本发明一种补偿步进电机位置误差的方法的具体实施方式一；

图2是具体实施方式一所采用的差分放大电路；

图3是具体实施方式一在无负载情况下的失步检测数据；

图4是具体实施方式一中，A相电流大于差分放大电路的参考值时的失步检测数据；

图5是具体实施方式一中，A相电流小于差分放大电路的参考值时的失步检测数据；

图6是本发明一种补偿步进电机位置误差的方法的具体实施方式二；

图7是本发明的具体实施方式一或二中，以相机中的步进电机为例进行的失步行为测试的数据；

图8是图7中的步进电机在检测到失步并被停止后的检测数据；

图9是本发明具体实施方式一或二中，B相电流在90圈每分的转速下的电流检测数据；

图10是本发明具体实施方式一或二中，A相电流在90圈每分的转速下的电流检测数据；

图11可实施本发明具体实施方式一或二的电机的转动特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。

请参见图1，本发明一种补偿步进电机位置误差的方法的具体实施方式一，其包括：

S101：对步进电机的绕组电流进行采样并输出待检测电流；

具体而言，如图2所示，可利用差分放大器获取绕组两端的电压信号后与直流参考电压Vref叠加后，输出待检测电流，在本具体实施方式一中，差分放大器获取的是A相绕组两端的电压Va和Vb，因此，输出的待检测电流是A相电流

输入电流流入差分放大器输入端所输入的电流值i₊,i_-计算方法如公式(11)和(12)所示：

由输入电流i₊,i_-经过运放后的输出电压V0可由公式(13)得到：

S103：对待检测电流进行分析获得待检测电流的微分，如A相电流A_c的微分A_diff

具体而言，可以是步进电机的为控制器对待检测电流进行分析后获得待检测电流的微分；

S104：在待检测电流的微分由负值变为正值时，若待检测电流对应的电压值大于参考电压的值，或者，在待检测电流的微分由正值变为负值时，待检测电流对应的电压值小于参考电压的值，则确定发生了一次由失步引起的位置误差；

在具体实施方式一中，即为A_diff由负值变为正值时，若A_c的值大于参考电压的值，或者，在A_diff由正值变为负值时，A_c的值小于参考电压的值，则确定发生了一次由失步引起的位置误差；

如图3所示，展示了当步进电机处于稳态时，有意加上外部负载引起电机失步时A相电流和编码器数值的变化情况。其中，E_p表示编码器数值，A_c表示A相电流，A_diff表示A相电流的微分。电流值由10位ADC转换得到。

正常的微步细分驱动期间，如：在P_a点处，A_c的值大于差分放大器的参考电压，同时A_diff由正值变为负值；以及在P_b点处，A_c的值小于差分放大器的参考电压，而A_diff由负值变为正值。

但是，在失步期间，这种特性与正常运行时是相反的。如：在P_c点，A_c为正值，但是A_diff由负值变为正值。这种行为特性说明正常运作期间和失步时存在着很大的运行差异，给我们检测失步提供了重要的线索。因此，当A_diff由负值变为正值时，如果A_c的值大于差分放大器OPAMP的参考电压Vref，则确定发生了一次由失步引起的位置误差；同样的，当A_diff由正值变为负值时，如果A_c的值小于差分放大器OPAMP的参考电压Vref，同样的也可以确定发生了一次由失步引起的位置误差。

S105：确定发生了由于失步引起的位置误差后，通过分析待检测电流的微分来确定失步数；

具体而言，在本具体实施方式一中，即为：当A_c的值大于差分放大器OPAMP的参考电压Vref时，即差分放大器OPAMP输出的电压V0是正值时，将每次A_diff从最大值到最小值所经过的时间t_i记录下来，t_i最大值所对应的i值被确认为本次失步过程中的失步数，所述i值为所述t_i的序数，即检测到的第几次失步；

如图4所示，在一次失步的过程中，A_diff从正值变成负值的最大值所对应的时间点被称为HP_i；A_diff从负值变为正值的最小值所对应的时间点被称为LP_i；我们收集这些时间点的数据直到在整个周期中A_diff的峰值消失；之后，我们通过公式(14)来计算每次失步的经过时间t_i：

t_i＝LP_i-HP_i

其中，t_i最大值所对应的i值被认为是整个失步过程中的失步数，其为自然数。

当A_c的值小于差分放大器OPAMP的参考电压时，即差分放大器OPAMP输出的电压V0是负值时，则将每次A_diff从最小值到最大值所经过的时间t_i记录下来，t_i最大值所对应的i值被确认为本次失步过程中的失步数，所述i值为所述t_i的序数。

如图5所示，在一次失步的过程中，A_diff从负值变成正值的最大值所对应的时间点被称为HP_i；A_diff从正值变为负值的最小值所对应的时间点被称为LP_i；收集这些时间点数据直到在整个周期中A_diff的峰值消失；之后，我们通过公式(16)来计算每次失步的经过时间t_i：

t_i＝HP_i-LP_i

因为在最后一次失步时，因为涡轮与转盘之间的负载减小了，电机转矩变得稍小于当前的失步时间,因而会有较之前的周期更长时间的电流变化。在这个t_i最大值之后，电流以一定规律减小，表明失步已经结束，失步电机运动到下一个稳定点。图4与图5中的t₃都是时间最大值，都表明在对应的操作中有3次失步。该结论的正确性，可以通过编码器测量缺失的角度数来验证。

S107：根据失步数确定位置误差的补偿量；

位置误差的补偿量E_s可以通过在一个正弦波周期内的微步数M_n乘以单步失步数i来确定，即公式(10)：

E_s＝iM_n

S109，根据补偿量对失步电机的位置误差进行补偿。

因此，一旦发生失步，必须从现在的位置加上补偿量，即失步角度，来更新位置。以P_old来表示现在的位置命令脉冲，用P_new来表示补偿后的新的位置命令脉冲数，P_new的数值用公式(15)表示：

P_new＝P_old+E_s

在本发明的具体实施方式一中，采用电流信号的比较来判断失步以及补偿量。而无需采用昂贵的编码器，也无需占用设备的额外空间。并且，还能确定产生位置误差的原因是由于失步引起的，确定失步发生和结束的时间，由此，可以确定位置误差的补偿量。

如图6所示，本发明一种补偿步进电机位置误差的方法的具体实施方二，其与具体实施方式一不同之处在于，S105步骤与S107步骤之间，还可以包括步骤S106：

S106：对两个绕组分别获得的失步数，第一失步数和第二失步数，进行比较，以较大的值作为补偿量的计算依据。

上述具体实施方式一或二中的步骤S102至步骤S107都是由步进电机中的微控制器完成。

本发明的具体实施方式一或二中提供的方法可以被用在包括照相机在内的实际系统中。本发明的具体实施方式一或二采用此算法的原因是：

如图7所示，当失步发生时，电流信号的波形和正弦波相比发生了很大的畸变，同时编码器数值在一个较大的间隔内没有明显变化。然而，当编码器信号变平时，失步行为和正常操作之间的差别并不明显。也就是说，简单统计编码器输出脉冲数的变化并不能给出失步数的准确值。尽管A_diff几乎相同，但是编码器每次输出的脉冲差却是不同的。

如图8所示，在检测到失步电机被有意停止后，研究相应的E_P,A_c和A_diff的测量值。所用编码器的输入分辨率为每圈1200脉冲数，并且输出信号数由输入信号数4倍频，即每圈4800脉冲数的输出。微型步进电机的1个步距角可以分为125个微步距角。同时，它被设计为一次单步失步会导致4步距角的位置误差，对应着500微步。一次单步失步，编码器会输出96个脉冲。因此，通过测量编码器输出脉冲数的总数，就可以确定试验中失步数的总数。图8展示了失步发生后3次单步失步随之产生，编码器产生280的脉冲差。尽管如此，我们可以看到对失步数的检测是靠对电流信号的分析而不是由编码器得到的测量数据。我们要进行的误差补偿也依据于此。在失步行为消失后，电流信号波动并最终消失。这种阻尼振荡发生在电机由一种稳定状态转向另一种稳定状态的过程中。在失步发生后，经过三个周期的振荡，波动的时间间隔比之前失步时增大，表明电机正转向下一个稳定状态。这个较长的间隔给失步数的测定以及之后的误差补偿提供了决定性的线索。并且通过实验，可知，一次单步失步与四步距角位置误差相关联。从而可以通过使用A_diff数据对单步失步的统计来预测总的位置误差。

工作中，当步进电机开始转动时，一次检测电流的AD转换操作(即，数模转换操作)开始执行。基于AD转换的数据和本发明具体实施方式揭示的方法检测步进电机是否失步；如果没有发生失步，电机正常运行，如果发生失步，则电机会停止。电机停止后，失步数被测量出来，并由此进行误差补偿。之后，电机重新开始转动。在此阶段，电机转矩提升，转速降低以避免接下来的运行中发生失步。

具体而言，若设置微型步进电机的转速为90圈每分，同时AD转换的采样频率为3.75khz。如图9所示，我们用和表示A相电流相同的方式来表示B相，B_c,B_diff表示B相电流和B相电流的微分。我们观察到B_diff的值在第150个数据处由负值变为正值，此时B_c为正值。说明此处发生失步。

如图10所示，相同情况下A相电流的情况。两相电流对应的电压值分别与运放的参考电压比较。失步误差量由A，B相中与参考量相比相差较大的差值来确定。我们发现A相的差值大于B相差值。因此把A相差值作为误差补偿的依据。因此在一般应用中，要检测两相电流来判断哪一相电流起决定性作用。

如下表1-3所示，包含了图10中的HP_i,LP_i,t_i的数值。从表中我们可以发现，HP_i,LP_i的峰值比正弦波的幅值高，且随失步的产生而呈一定规律变化。再者，在表3中关于经过时间t_i的数据中可以看出，t₃是最大值，表明发生了3次失步。在这项研究中M_n＝500，i＝3，由公式10我们可以得到位置误差为1500微步。通过公式15，我们可以得到相应的补偿量，进而更新位置命令来完成误差补偿。经过补偿，位置误差被控制在±20个脉冲数，鉴于电机旋转一圈编码器输出18000个脉冲，对位置控制达到了很高的精度。一旦发生失步，电机会被强制停止，经误差补偿后输入命令更新。在这个阶段，电机转矩增加，电机转速下降。

如图11所示，带有位置误差补偿的电机的转动特性。开始时，电机以90圈每分的速度旋转，发生并解决失步后，电机旋转的速度被减少至45圈每分以提升电机转矩。

开始时，电机以90圈每分的速度转动。失步发生在启动后的0.155s时刻。失步发生后马上被检测到，电机被迫停止。电机停止后，通过计算单个失步的总数来确定补偿量并随之在输入脉冲值中加入相应的补偿。电机再次开始旋转并最终达到预期位置。对于总数90000微步的一个循环操作，编码器在此过程中有17264个脉冲输入，相应的位置控制误差为16个脉冲数。考虑到对于90000微步的目标值只产生如此小的位置误差，这种补偿的方案的效果是令人满意的。

本发明的具体实施方式揭示了一种检测步进电机失步并进行相应补偿的方法措施。我们使用了一种装有两相混合步进电机的高精度照相机系统来验证这种方法。通过测量电机绕组中的电流，研究电流正常时与失步时波形的变化规律来在不使用编码器的情况下解决失步检测的问题。同时，利用电流变化和运放参考电压的关系，我们可以得到一次失步的开始与结束的位置。此外，我们利用失步发生后电流峰值之间的经过时间来判断步进电机的失步数。在带有微型步进电机的照相机系统中，可以调整电机的转矩与转速来补偿由失步引起的位置误差，确保电机连续运行时的准确性。同时，由失步引起的位置误差可以通过更改输入命令来实现补偿。由失步与失角之间的特性关系，我们可以估计出的角度损失的信息，进而来实现补偿。

本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者合软件和硬件结合的形式。此外，本发明的各个方面或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码。计算机可读介质可以使计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机中的处理器读取存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码，使得处理器能够执行在流程图中每个步骤、或各个步骤的组合中规定的功能动作；生成实施在框图的每一块或各块的组合中规定的功能动作的装置。

上述具体实施方式说明但并不限制本发明，本领域的技术人员能在权利要求的范围内设计出多个可代替实例。所属领域的技术人员应该意识到，对在没有违反如所附权利要求书所定义的本发明的范围之内，可对具体实现方案做出适当的调整、修改等。因此，凡依据本发明的精神和原则，所做的任意修改和变化，均在所附权利要求书所定义的本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种补偿步进电机位置误差的方法，其特征在于，所述补偿步进电机位置误差的方法包括：

对步进电机的绕组电流进行采样并输出待检测电流；

对待检测电流进行分析获得待检测电流的微分；

在所述待检测电流的微分由负值变为正值时，所述待检测电流对应的电压值大于参考电压的值；或者，在所述待检测电流的微分由正值变为负值时，所述待检测电流对应的电压值小于参考电压的值，则确定发生了一次由失步引起的位置误差；

确定发生了由失步引起的位置误差后，通过分析所述待检测电流的微分确定失步数；通过分析所述待检测电流的微分确定失步数的步骤，具体为：

当所述待检测电流对应的电压值大于所述参考电压值时，将t_i最大值所对应的i值被确认为所述失步数，所述t_i为所述电流微分每次从最大值到最小值所经过的时间，所述i值为所述t_i的序数；

将t_i最大值所对应的i值被确认为所述失步数的步骤，具体包括：

确定所述电流微分从正值变成负值的过程中的最大值所对应的时间点HP_i；

确定所述电流微分从负值变为正值的过程中的最小值所对应的时间点被称为LP_i；

收集所述时间点HP_i、LP_i直至所述电流微分的峰值消失；

采用下述公式来计算所述时间t_i：

t_i＝LP_i-HP_i

确定所述时间t_i中最大的数值所对应的数值i为所述失步数；

根据所述失步数确定位置误差的补偿量；根据所述失步数确定位置误差的补偿量的步骤，具体包括：

根据一个正弦波周期内的微步数以及所述失步数确定所述位置误差的补偿量；

根据一个正弦波周期内的微步数以及所述失步数确定所述位置误差的补偿量的步骤，具体为：

根据以下公式确定所述位置误差的补偿量E_s：

E_s＝iM_n

其中，M_n为一个正弦波周期内的所述微步数，i为所述失步数；

根据所述补偿量对所述步进电机的位置误差进行补偿，根据所述补偿量对所述步进电机的位置误差进行补偿步骤，具体包括：

根据以下公式确定所述步进电机补偿后的位置命令脉冲P_new：

P_new＝P_old+E_s以及E_s＝iM_n

其中，P_old为所述步进电机现在的位置命令脉冲，E_s所述位置误差的补偿量，M_n为一个正弦波周期内的微步数，i为所述失步数。

2.如权利要求1所述的补偿步进电机位置误差的方法，其中，所述对步进电机的绕组电流进行采样并输出待检测电流的步骤，具体包括：

利用差分放大器获取所述绕组两端的电压信号，并与所述参考电压叠加后输出所述待检测电流。

3.如权利要求1所述的补偿步进电机位置误差的方法，其中，所述通过分析所述待检测电流的微分确定失步数的步骤，具体为：

当所述待检测电流对应的电压值小于所述参考电压值时，将t_i最大值所对应的i值被确认为所述失步数，所述t_i为所述电流微分每次从最小值到最大值所经过的时间，所述i值为所述t_i的序数。

4.如权利要求3所述的补偿步进电机位置误差的方法，其中，当所述待检测电流对应的电压值小于所述参考电压值时，所述将t_i最大值所对应的i值被确认为所述失步数的步骤，具体包括：

确定所述电流微分从负值变成正值的过程中的最大值所对应的时间点HP_i；

确定所述电流微分从正值变为负值的过程中的最小值所对应的时间点被称为LP_i；

收集所述时间点HP_i、LP_i直至所述电流微分的峰值消失；

采用下述公式来计算所述时间t_i：

t_i＝HP_i-LP_i

确定所述时间t_i中最大的数值所对应的数值i为所述失步数。

5.如权利要求1所述的补偿步进电机位置误差的方法，其中，所述通过分析所述待检测电流的微分确定失步数的步骤，与所述根据所述失步数确定位置误差的补偿量的步骤之间，还包括：

对根据两个所述绕组分别获得的第一失步数和第二失步数进行比较，以较大的值作为所述失步数，即，所述补偿量的计算依据。