CN106301116B - 脉冲步进电机的控制系统 - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors of the kind having motors rotating step by step

Abstract

本发明涉及脉冲步进电机的控制技术领域，具体地说，涉及一种脉冲步进电机的控制系统。其包括：指令输入模块，其用于输入运行指令；控制模块，其用于将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且时序脉冲信号的上升沿和下降沿均构造成阶梯形；以及功率控制模块，其用于根据时序脉冲信号使电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电。本发明具备较佳的定位准确度和定位精度。

Description

脉冲步进电机的控制系统
技术领域
本发明涉及脉冲步进电机的控制技术领域，具体地说，涉及一种脉冲步进电机的控制系统。
背景技术
以定位控制作为主要用途功能的机构有多种多样，其通常是通过电机马达驱动来实现的，最常用的是伺服电机与步进电机。
其中，步进电机是通过若干个一定角度的递进(如：一个递进为1.8度，又称步进角)来实现转子旋转的，步进角对应一个脉冲信号，即给予一个脉冲信号即可使步进电机转动一个步进角的角度。因此，使用者通过输入一定的脉冲数即可较佳的通过步进电机实现定位控制功能。
就现有步进电机的控制方式来说，其不仅使得步进电机在到达目标位置时会因动态振动而导致定位不准确，而且定位精度主要取决于该步进电机固有的步进角的频度(大小)。因此，基于现有步进电机的控制方式，使得步进电机的定位准确性以及精度均难以获取较佳的提升。
发明内容
本发明提供了一种脉冲步进电机的控制系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的脉冲步进电机的控制系统，其包括：
指令输入模块，其用于输入运行指令；
控制模块，其用于将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且时序脉冲信号的上升沿和下降沿均构造成阶梯形；以及
功率控制模块，其用于根据时序脉冲信号使电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电。
本发明的脉冲步进电机的控制系统中，控制模块所形成的控制脉冲(即时序脉冲信号)的整体波形能够为三角波或梯形波，相比于现有采用整体波形为方波的控制脉冲来说，不会导致因在上升沿或下降沿处的电平(电流或电压)急剧转换而产生的震动，从而使得步进电机在目标位置处的缓冲性能能够得到极大的提升，从而大大提升饿了步进电机定位的精确性。
另外，由于时序脉冲信号的上升沿和下降沿能够均构造成阶梯形，这使得通过对上升沿和下降沿的控制，能够大大提升步进电机的定位精度。如，假定一个步进电机的每400个脉冲旋转一周，如果通过将任一控制波形的上升沿和下降沿的级数和设定位50，那么就能够实现20000次/周的细微化定位设定。
作为优选，还包括D/A转换模块，D/A转换模块用于将时序脉冲信号由数字量转换成模拟量并发送给功率控制模块。
本发明的脉冲步进电机的控制系统中，由于上升沿或下降沿能够是阶梯波，因此上升沿或下降沿在每级(阶梯波的每级)转换之间会存在一个较明显的电平(电流或电压)变化，该电平(电流或电压)变化会导致转子在转动时存在一个微弱震动。通过将时序脉冲信号转换为模拟量，即可使得功率控制模块能够接收到连续、平稳的控制信号，从而较佳避免了该微弱震动，进而大大提升了定位准确性。
作为优选，功率控制模块用于依照时序脉冲信号对步进电机绕组的电压进行控制。
作为优选，功率控制模块用于依照时序脉冲信号对步进电机绕组的电流进行控制。
本发明还提供了一种脉冲步进电机的控制方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的脉冲步进电机的控制方法，其按信号处理流程包括如下步骤：：
(1)通过一指令输入模块输入运行指令；
(2)通过一控制模块将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且使时序脉冲信号的上升沿和下降沿均为阶梯波；
(3)通过一功率控制模块按照时序脉冲信号，控制电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电。
本发明的脉冲步进电机的控制方法中，控制模块所形成的控制脉冲(即时序脉冲信号)的整体波形能够为三角波或梯形波，相比于现有采用整体波形为方波的控制脉冲来说，不会导致因在上升沿或下降沿处的电平(电流或电压)急剧转换而产生的震动，从而使得步进电机在目标位置处的缓冲性能能够得到极大的提升，从而大大提升饿了步进电机定位的精确性。
另外，由于时序脉冲信号的上升沿和下降沿能够均构造成阶梯形，这使得通过对上升沿和下降沿的控制，能够大大提升步进电机的定位精度。如，假定一个步进电机的每400个脉冲旋转一周，如果通过将任一控制波形的上升沿和下降沿的级数和设定位50，那么就能够实现20000次/周的细微化定位设定。
作为优选，步骤(2)中，控制模块包括数字电路或微处理器。从而便于时序脉冲信号的生成。
作为优选，步骤(2)中，在时序脉冲信号产生后，还通过一D/A转换模块将时序脉冲信号由数字量转换成模拟量。
本发明的脉冲步进电机的控制方法中，由于上升沿或下降沿能够是阶梯波，因此上升沿或下降沿在每级(阶梯波的每级)转换之间会存在一个较明显的电平(电流或电压)变化，该电平(电流或电压)变化会导致转子在转动时存在一个微弱震动。通过将时序脉冲信号转换为模拟量，即可使得功率控制模块能够接收到连续、平稳的控制信号，从而较佳避免了该微弱震动，进而大大提升了定位准确性。
作为优选，步骤(3)中，功率控制模块控制电源模块对步进电机绕组的电流或电压进行调节。
作为优选，步骤(2)中，在步进电机与目标停止位置间的偏差大、需要高速运转时，使所述阶梯波的级数较少；在步进电机与目标停止位置间的偏差较小、需要减速运转时，使所述阶梯波的级数逐渐增加；在步进电机与目标停止位置间的偏差微小、即将停止运转时，使所述阶梯波的级数较多。通过该种设定，能够大大提升步进电机的定位准确度。另外，此处所说的“级数较少”和“级数较多”为一相对概念，并不是对级数的数量进行限定。
附图说明
图1为实施例1中的一种脉冲步进电机的控制系统的示意图；
图2为现有脉冲步进电机的控制系统的时序图；
图3为实施例1中的一种脉冲步进电机的控制系统的时序图；
图4为图3中对应部分的放大示意图；
图5为图3中任一单个时序脉冲信号的上升沿的示意图；
图6为实施例2中在步进电机与目标停止位置间的偏差大、需要高速运转时的阶梯波示意图；
图7为实施例2中在步进电机与目标停止位置间的偏差较小、需要减速运转时的阶梯波示意图；
图8为实施例2中在步进电机与目标停止位置间的偏差微小、即将停止运转时的阶梯波示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种脉冲步进电机的控制系统，其包括：
指令输入模块，其用于输入运行指令；
控制模块，其用于将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且时序脉冲信号的上升沿和下降沿均构造成阶梯形；以及
功率控制模块，其用于根据时序脉冲信号使电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电。
本实施例中，控制模块包括脉冲发生单元和脉冲分配单元，脉冲发生单元用于接收运行指令并形成脉冲控制信号，脉冲分配单元用于将脉冲控制信号分配成用于对步进电机的每个绕组进行控制的时序脉冲信号。
本实施例中，还包括D/A转换模块，D/A转换模块用于将时序脉冲信号由数字量转换成模拟量并发送给功率控制模块。
本实施例中，功率控制模块能够对应时序脉冲信号对步进电机绕组的电压或电流进行控制。
为了较为直观的描述本实施例中的控制系统，现以采用本实施例中的控制系统和现有控制系统对具有4个绕组(该4个绕组分别为A、B、C和D)的单极步进电机进行控制为例，一一进行说明。
现有脉冲步进电机的控制系统均采用方波脉冲信号对步进电机进行控制，如图2所示，为现有脉冲步进电机的控制系统的时序图。由该时序图可知，当A、B、C、D依次处于高电平时，转子依次与A、B、C、D对齐，从而实现了转子的转动。可以明显的看出：1、转子在任意相邻绕组间的位置处不可能实现细致的精确的定位，即现有控制系统的定位精度不能够突破因步进电机固有结构所产生的限制；2、任一绕组均是陡然得电和失电的，这就使得任一绕组对转子的扭矩均是陡然产生或陡然消退，从而导致转子在脉冲切换间会存在震动，这就会严重导致步进电机的定位准确度降低。
如图3所示，为本实施例中的控制系统的时序图。结合图4作具体分析，可知：在转子在由A处转动至B处时，B处是逐渐得电(通过时序脉冲信号控制B处的功率即可实现)的，之后A处逐渐失电，从而使得A对转子产生的扭矩逐渐降低，B对转子的扭矩逐渐增加，从而使得转子能够较平稳的由A处转动至B处，从而较佳的提升了转子运行过程中的缓冲性能，大大降低了转子的震动，从而大大提升了定位准确度。另，图4中表示步进角。
如图5所示，为任一单个时序脉冲信号上升沿的示意图(下降沿类似)。结合图4作具体分析，可知：在B中的功率(电压或电流)从0逐渐升至最大时，转子从A处转动至A与B之间位置处；在A中的功率(电压或电流)从最大逐渐降低至0时，转子从A与B之间位置处转动至B处；在此过程中，由于上升沿和下降沿均构造成梯形波，而任一级梯形波均与转子在A与B之间的某一位置一一对应，从而通过对梯形波的控制，即可较佳的实现转子在A与B之间的位置处进行定位，从而能够较佳的突破步进电机结构而对定位精度造成的限制，大大提升了任一步进电机的定位精度。
实施例2
基于实施例1的控制系统，本实施例提供了一种脉冲步进电机的控制方法，其按信号处理流程包括如下步骤：
(1)通过一指令输入模块输入运行指令；
(2)通过一控制模块将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且使时序脉冲信号的上升沿和下降沿均为阶梯波；
(3)通过一功率控制模块按照时序脉冲信号，控制电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电。
本实施例中，步骤(2)中，控制模块包括数字电路或微处理器。
本实施例中，步骤(2)中，在时序脉冲信号产生后，还通过一D/A转换模块将时序脉冲信号由数字量转换成模拟量。
本实施例中，步骤(3)中，功率控制模块控制电源模块对步进电机绕组的电流或电压进行调节。
本实施例中，步骤(2)中，如图6所示，在步进电机与目标停止位置间的偏差大、需要高速运转时，使所述阶梯波的级数较少；如图7所示，在步进电机与目标停止位置间的偏差较小、需要减速运转时，使所述阶梯波的级数逐渐增加；如图8所示，在步进电机与目标停止位置间的偏差微小、即将停止运转时，使所述阶梯波的级数较多。图6、7和8仅给出了上升沿的示意图，下降沿类似。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.脉冲步进电机的控制系统，其特征在于：包括，
指令输入模块，其用于输入运行指令；
控制模块，其用于将运行指令转换成整体波形为三角波或梯形波的时序脉冲信号，且时序脉冲信号的上升沿和下降沿均构造成阶梯形；以及
功率控制模块，其用于根据时序脉冲信号使电源模块按一定的方式对步进电机的绕组进行供电；
在步进电机与目标停止位置间的偏差大、需要高速运转时，使所述阶梯波的级数较少；在步进电机与目标停止位置间的偏差较小、需要减速运转时，使所述阶梯波的级数逐渐增加；在步进电机与目标停止位置间的偏差微小、即将停止运转时，使所述阶梯波的级数较多；
在B中的功率从0逐渐升至最大时，转子从A处转动至A与B之间位置处；在A中的功率从最大逐渐降低至0时，转子从A与B之间位置处转动至B处；在此过程中，由于上升沿和下降沿均构造成梯形波，而任一级梯形波均与转子在A与B之间的某一位置一一对应；
A为第一绕组，B为第二绕组，A处为所述第一绕组在所述步进电机内的绕组位置，B处为所述第二绕组在所述步进电机内的绕组位置。
2.根据权利要求1所述的脉冲步进电机的控制系统，其特征在于：还包括D/A转换模块，D/A转换模块用于将时序脉冲信号由数字量转换成模拟量并发送给功率控制模块。
3.根据权利要求1所述的脉冲步进电机的控制系统，其特征在于：功率控制模块用于依照时序脉冲信号对步进电机绕组的电压进行控制。
4.根据权利要求1所述的脉冲步进电机的控制系统，其特征在于：功率控制模块用于依照时序脉冲信号对步进电机绕组的电流进行控制。
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