CN106788010A - 步进电机运动系统自检回零的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进电机运动系统自检回零的方法，步进电机运动系统自检回零的方法，是指步进电机从任意回零起始位置Pr出发，通过慢速与快速相互结合与切换，且只朝一个方向运动找到全局零点P0，在找到全局零点P0后，并校正到真零点Pa，完成自检回零的方法。本发明提供的自检回零方法能减少步进电机运动系统自检回零过程的时间和碰撞以及调试，实现步进电机运动系统快速可靠地自检回零，自检回零过程快速可靠；而且能有效降低回零过程中产生地噪音；而且能简化调试过程和调试程序并且能帮助诊断步进电机硬件与结构上可能发生的故障。

Description

步进电机运动系统自检回零的方法

技术领域

本发明涉及一种步进电机运动系统自检回零的方法。

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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是：它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。

步进电机作为一种重要的执行元件,由于其具有精度高、惯性小、工作可靠和能实现高精度快速开环控制的特点,而被广泛应用在舞台灯的运动控制系统中。舞台灯内部由三大部分组成：电脑电路、机械部分和光源部分；其中机械部分，是由若干个微步进电机组成，每个步进电机都可以独立动作，分别带动图案转轮、颜色转轮和调光、聚焦、光斑水平移动及垂直移动操作的机械部件。

步进电机零位是指参考零位，步进电机能够实现角度和位置控制的基础是参考零位；所有转角都是以该零位为参考进行的，因此步进电机在任何控制之前必须进行零位标定。

零位标定的方法很多，专注微型步进电机控制方案专家的日本山社电机分析步进电机转矩归零的方法主要有：

1、直接归零法。该方法在零位处安装一个停止挡块，然后令步进电机向零位方向驱动足够大的角度，当步进电机回到零位时，被挡块挡住，电机停止位置即零位。这种归零方法简单，但是在电机被挡块挡住时，仍会驱动电机执行归零动作，因此不仅会对步进电机和传动机构造成伤害，还会产生剧烈的抖动和较大的噪声。

2、传感器法。该方法在零位处安装霍尔开关、光电二极管等位置传感器，当步进电机回到零位时，传感器给出检测信号，控制电路检测到该信号时，令电机停在零点位置。这种归零方法准确、可靠，但是增加了电路的复杂性，对安装有一定的要求。

3、采用带停转检测的专用电机驱动芯片。这种芯片在电机停转时，能够立刻检测到电机处于停转状态，从而确定零点位置。但这种方法通用性差，对步进电机各绕组的电流相位有一定的要求，并且这种方法不能在微步驱动方式下使用。

4、通过调整脉宽调制信号的占空比，构造出振幅按一定规律衰减的正弦驱动电流。将该电流以一定的相位差加在步进电机的各绕组上，就能让步进电机以微步方式驱动，而且其转矩按期望的规律衰减。此方法应用于步进电机归零过程，可以使电机以恒定转速且转矩逐渐减弱的方式回到零位，有效地保护了电机和传动机构。该方法无需硬件电路，但能使电机归零可靠，电机运行平稳。因此具有广泛的应用领域。

在行程接近720°的步进电机运动系统中，起始位置Pr有可能在全部运动范围内的任意位置，自检回零过程中有可能检测到两个零点信号，其中一个是接近全局零点P0(即止位档杆)的真零点Pa，另一个是距离全局零点P0大于360°的伪零点Pa’，如何判断伪零点Pa’是自检回零程序的关键；在行程接近360°的步进电机运动系统中，只有一个接近全局零点P0的真零点Pa；两种步进电机运动系统在自检回零过程中都必须综合考虑快速性、可靠性及噪音等方面性能上的平衡。

目前，解决上述问题的一般的做法有两种：(1)第一种做法是自检回零过程以不断调试而固定下来的复位速度运行，但是这种做法如果速度快则容易发生较大的碰撞反弹导致全局零点P0不可靠；而速度慢则复位过程拉长，难以在快速性、可靠性及噪音等方面性能上实现平衡；(2)第二种做法是使步进电机在反复的正向旋转和反向旋转中修改运动距离逐渐逼近全局零点P0，这样同样也会拉长复位时间且有可能发生多次碰撞。

现有技术公开的回零装置和回零方法有：

对比文件1：CN204666648U公开一种用于仪表步进电机的上电回零装置，包括：驱动芯片，用于输出驱动信号控制仪表步进电机进行回零工作；运算放大器，其输入端与所述驱动芯片的输出端连接，用于调整所述驱动芯片输出的驱动信号的大小；仪表步进电机，连接所述运算放大器的输出端。

对比文件2：CN105666492A公开一种SCARA机器人关节回零控制方法，包括步骤：(1)关节电机反转并检测零点；(2)当检测到零点位置时，关节电机继续反转；(3)关节电机正转并检测零点；(4)当检测到零点位置时，关节电机停止运转，完成回零过程。

对比文件1公开的上电回零装置采用驱动芯片实现回零工作，这种方法通用性较差，不能在微步驱动方式下使用。对比文件2公开的机器人关节回零控制方法，需要正反方向反复检测零点位置，完成回零过程，在一定程度上会影响回零的速度和效率，且可能在反复检测过程中发生碰撞，回零准确性不佳。因此，研发一种快速可靠且调试便利的步进电机运动系统自检回零方法对于舞台灯的运动控制系统的改进和提高舞台灯的性能具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种步进电机运动系统自检回零的方法，该方法通过减少步进电机运动系统自检回零过程的时间和碰撞以及调试，实现步进电机运动系统快速可靠地自检回零，具有调试便利、快速可靠的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

步进电机运动系统自检回零的方法，是指步进电机从任意回零起始位置Pr出发，通过慢速与快速相互结合与切换，且只朝一个方向运动找到全局零点P0，并校正到真零点Pa，完成自检回零的方法；具体步骤如下：

(1)步进电机从任意回零起始位置Pr出发朝全局零点P0的方向运动；

(2)运动过程中，当以较慢速度Vs匀速朝全局零点P0方向运动，其慢速运动距离超过真零点Pa到全局零点P0的距离则加速；

运动过程中，当以较快速度Vq匀速朝全局零点P0方向运动，检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号则减速；

(3)通过步骤(2)中较慢速度Vs与较快速度Vq的相互结合与切换，朝一个方向以较慢速度Vs和较快速度Vq循环交替运动，直至找到全局零点P0，即止位挡杆的位置，步进电机紧急停止，且步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止；

(4)找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

全局零点P0是止位档杆所在的位置，而真零点Pa是逻辑上的零点，在找到真零点Pa前必须找到全局零点P0。由于工作状态都是基于逻辑上的真零点，因此在找到全局零点P0之后还需要有一个运动到真零点Pa的校正过程。

回零方向由步进电机具体的机械结构决定，机械结构确定后，回零方向就确定了。

进一步地，

步骤(2)中较快速度Vq选取的依据是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离。

进一步地，

步骤(2)中较慢速度Vs选取的依据是步进电机找到全局零点P0紧急停止时不会过冲而发生严重碰撞。

本方案中，步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止；碰撞程度可从碰到止位档杆的力度和声音判断，速度较快且来不及减速都会发生严重碰撞。

进一步地，

设真零点Pa与全局零点P0之间的距离为△S，△S＝Pa-P0，为了尽量减少以较慢速度Vs运动的时间以及以较快速度Vq运动减速时不会发生过冲而导致严重碰撞，Dsq≤△S≤△T*Vs，其中：Dsq为慢速Vs与快速Vq之间的加减速距离，也就是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离，△T为慢速运动的时间。

进一步地，

步骤(2)中，所述真零点Pa或伪零点Pa’减速信号由设置在步进电机上的霍尔传感器检测。

在本方法中，采用霍尔传感器获取减速信号，信号调理非常简单。

进一步地，

步进电机的实际运动距离由安装在步进电机上的正交光电编码器获取。

在本方法中，正交光电编码器的输出作为以较慢速度运动时加速和碰撞停止的依据，如果慢速运动时间内的一直有输出则加速，如果没有输出则说明已经碰到止位档杆，即到达全局零点P0的位置。

本发明的工作原理如下：

步进电机从任意回零起始位置Pr慢速启动，朝全局零点P0的方向运动，若检测到全局零点P0，即止位挡杆的位置，步进电机紧急停止；找到全局零点P0后，继续运动到真零点Pa，进行零点位置的校正，自检回零结束。找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

若没有检测到全局零点P0，则判断是否收到减速信号，若收到减速信号则做出减速处理后返回下一次判断；若未收到减速信号，则判断是否持续以较慢速度Vs运动并返回下一次判断是否到达全局零点P0，若不能持续慢速则加速至较快速度Vq，并再一次判断是否到达全局零点P0，如此反复执行这一过程，直至找到全局零点P0，并对全局零点P0的位置进行校正，完成自检回零过程。找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

在这个回零过程中，保证步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止，即以较慢速度Vs到达全局零点P0(即止位档杆的位置)，并以较慢速度Vs校正到真零点Pa。

本发明的有益效果：

1、本发明通过减少步进电机运动系统自检回零过程的时间和碰撞以及调试，实现步进电机运动系统快速可靠地自检回零，自检回零过程快速可靠。

2、本发明提供的自检回零方法从任意回零起始位置Pr出发，只朝一个方向运动找到全局零点P0和真零点Pa，完成自检回零，尽可能地减少了不必要的空闲行程，能最快地实现自检回零。

3、本发明提供的自检回零方法最多允许一次慢速碰到止位档杆(全局零点P0)，能有效降低回零过程中产生地噪音。

4、本发明提供的自检回零方法中，较快速度Vq选取的依据是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离；较慢速度Vs选取的依据是步进电机找到全局零点P0紧急停止时不会过冲而发生严重碰撞。较快速度Vq与较慢速度Vs选取和确定的方法都非常简单，可以有效简化调试过程和调试程序。

5、本发明提供的自检回零方法，还能帮助诊断步进电机硬件与结构上可能发生的故障，如：回零位置不正确则表示正交光电编码器发生故障；若回零过程中没有减速，则表示霍尔传感器发生故障；若回零过程中一直发生碰撞，则表示正交光电编码器和霍尔传感器均发生故障；若与止位档杆发生严重碰撞，则霍尔传感器位置不合适等。

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为本发明实施例步进电机运动系统自检回零方法的工作原理图；

图2为本发明实施例步进电机运动系统自检回零方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种步进电机运动系统自检回零的方法，是指步进电机从任意回零起始位置Pr出发，通过慢速与快速相互结合与切换，且只朝一个方向运动找到全局零点P0，并校正到真零点Pa，完成自检回零的方法；具体步骤如下：

(1)步进电机从任意回零起始位置Pr出发朝全局零点P0的方向运动；

(2)运动过程中，当以较慢速度Vs匀速朝全局零点P0方向运动，其慢速运动距离超过真零点Pa到全局零点P0的距离则加速；

运动过程中，当以较快速度Vq匀速朝全局零点P0方向运动，检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号则减速；

(3)通过步骤(2)中较慢速度Vs与较快速度Vq的相互结合与切换，朝一个方向以较慢速度Vs和较快速度Vq循环交替运动，直至找到全局零点P0，即止位挡杆的位置，步进电机紧急停止，且步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止；

(4)找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

在本发明中，全局零点P0是止位档杆所在的位置，而真零点Pa是逻辑上的零点，在找到真零点Pa前必须找到全局零点P0。由于工作状态都是基于逻辑上的真零点，因此在找到全局零点P0之后还需要有一个运动到真零点Pa的校正过程。

而回零方向由步进电机具体的机械结构决定，机械结构确定后，回零方向就确定了。

本实施例的步骤(2)中，

较快速度Vq选取的依据是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离。

较慢速度Vs选取的依据是步进电机找到全局零点P0紧急停止时不会过冲而发生严重碰撞。

本方案中，步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止；碰撞程度可从碰到止位档杆的力度和声音判断，速度较快且来不及减速都会发生严重碰撞。

设真零点Pa与全局零点P0之间的距离为△S，△S＝Pa-P0，为了尽量减少以较慢速度Vs运动的时间以及以较快速度Vq运动减速时不会发生过冲而导致严重碰撞，Dsq≤△S≤△T*Vs，其中：Dsq为较慢速度Vs与较快Vq之间的加减速距离，也就是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离，△T为慢速运动的时间。

在这个自检回零过程中，如图1所示，真零点Pa或伪零点Pa’减速信号由设置在步进电机上的霍尔传感器检测。采用霍尔传感器获取减速信号，信号调理简单。

而步进电机的实际运动距离由安装在步进电机上的正交光电编码器获取。在本方法中，正交光电编码器的输出作为以较慢速度运动时加速和碰撞停止的依据，如果慢速运动时间内的一直有输出则加速，如果没有输出则说明已经碰到止位档杆，即到达全局零点P0的位置。

如图2所示，本方法的工作原理如下：

步进电机从任意回零起始位置Pr慢速启动，朝全局零点P0的方向运动，若检测到全局零点P0，即止位挡杆的位置，步进电机紧急停止；找到全局零点P0后，继续运动到真零点Pa，进行零点位置的校正，自检回零结束。找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

若没有检测到全局零点P0，则判断是否收到减速信号，若收到减速信号则做出减速处理后返回下一次判断；若未收到减速信号，则判断是否持续以较慢速度Vs运动并返回下一次判断是否到达全局零点P0，若不能持续慢速则加速至较快速度Vq，并再一次判断是否到达全局零点P0，如此反复执行这一过程，直至找到全局零点P0，并对全局零点P0的位置进行校正，完成自检回零过程。找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

在这个回零过程中，保证步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止，即以较慢速度Vs到达全局零点P0(即止位档杆的位置)，并以较慢速度Vs校正到真零点Pa。

以产品M-L324YZ-RGBW与M-L420YZ-RGBW(由湖南明和光电设备有限公司提供)两款摇头灯的水平轴与垂直轴的自检回零过程为例：

(1)两款摇头灯的水平轴的最大机械行程约660°，真零点Pa距离全局零点P0的距离为15°，伪零点Pa’距离真零点360°；

水平轴步进电机运动系统需要回零的话，只需要根据回零过程时间上的要求，同时根据较快速度Vq和较慢速度Vs的选择依据，设置合适的Vq和Vs，即可使步进电机所驱动的负载从任意回零起始位置Pr快速可靠地回到零点位置，完成回零过程。

水平轴回零过程：如果起始位置Pr在最远端，也就是660°的地方，回零过程的时间一般控制在10-20s,为了保证步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离(15°)且总是以较慢速度Vs达到全局零点P0紧急停止，Dsq≤△S≤△T*Vs，其中：Dsq为慢速Vs与快速Vq之间的加减速距离，也就是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离，△T为慢速运动的时间；本实施例中：△S＝15°，选取较快速度Vq＝50°/s，Vs＝10°/s。

整个回零过程为：从起始位置Pr为660°的地方慢速启动，先以Vs＝10°/s运动15°后，正交光电编码器一直有输出(未到达止位档杆P0)，然后加速到Vq＝50°/s，运动270°后检测到霍尔减速信号减速到Vs；以Vs运动15°后，正交编码器一直有输出，则加速到Vq运动345°后检测到霍尔减速信号减速到Vs，以Vs运动15°后碰到止位档杆，正交编码器无输出(到达止位档杆)，紧急停止；最后以Vs从P0朝Pa运动约15°，结束自检回零；整个过程使用时间为：1.5+5.4+1.5+6.9+1.5+1.5＝18.3秒。

(2)两款摇头灯的垂直轴的最大行程约310°，真零点Pa距离全局零点P0的距离为10°；

同理，垂直轴步进电机运动系统需要回零的话，也只需要根据回零过程时间上的要求，同时根据较快速度Vq和较慢速度Vs的选择依据，设置合适的Vq和Vs，即可使步进电机所驱动的负载从任意回零起始位置Pr快速可靠地回到零点位置，完成回零过程。

垂直轴回零过程，如果起始位置在最远端，也就是310°的地方，整个回零过程为：

从起始位置Pr为310°的地方慢速启动，那么先以Vs＝10°/s运动10°后，正交光电编码器一直有输出(未到达止位档杆P0)，则加速到Vq＝50°/s运动290°后检测到霍尔减速信号减速到Vs；以Vs运动10°后碰到止位档杆，正交编码器无输出(到达止位档杆)，紧急停止；最后以Vs从P0朝Pa运动约10°，结束自检回零；整个过程使用时间为：1.0+5.8+1.0+1.0＝8.8秒。

本实施例提供的该种自检回零方法有效地解决了M-L324YZ-RGBW与M-L420YZ-RGBW这两款摇头灯产品步进电机运动系统自检回零过程中有可能发生的快速性、可靠性及噪音等方面的问题。

由于本实施例提供的回零方法减少了步进电机运动系统自检回零过程的时间和碰撞以及调试，因此能实现步进电机运动系统快速可靠地自检回零，自检回零过程快速可靠。

本实施例提供的自检回零方法从任意回零起始位置Pr出发，只朝一个方向运动找到全局零点P0和真零点Pa，完成自检回零，尽可能地减少了不必要的空闲行程，能最快地实现自检回零。

本实施例提供的自检回零方法最多允许一次慢速碰到止位档杆(全局零点P0)，即碰到就停止了，如图1所示的Pa到P0段，总是慢速运动的，能有效降低回零过程中产生地噪音。

本实施例提供的自检回零方法中，较快速度Vq选取的依据是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离；较慢速度Vs选取的依据是步进电机找到全局零点P0紧急停止时不会过冲而发生严重碰撞。较快速度Vq与较慢速度Vs选取和确定的方法都非常简单，可以有效简化调试过程和调试程序。

本实施例提供的自检回零方法，还能帮助诊断步进电机硬件与结构上可能发生的故障，如：回零位置不正确则表示正交光电编码器发生故障；若回零过程中没有减速，则表示霍尔传感器发生故障；若回零过程中一直发生碰撞，则表示正交光电编码器和霍尔传感器均发生故障；若与止位档杆发生严重碰撞，则霍尔传感器位置不合适等。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

是指步进电机从任意回零起始位置Pr出发，通过慢速与快速相互结合与切换，且只朝一个方向运动找到全局零点P0，并校正到真零点Pa，完成自检回零的方法；

具体步骤如下：

(1)步进电机从任意回零起始位置Pr出发朝全局零点P0的方向运动；

(2)运动过程中，当以较慢速度Vs匀速朝全局零点P0方向运动，其慢速运动距离超过真零点Pa到全局零点P0的距离则加速；

运动过程中，当以较快速度Vq匀速朝全局零点P0方向运动，检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号则减速；

(3)通过步骤(2)中较慢速度Vs与较快速度Vq的相互结合与切换，朝一个方向以较慢速度Vs和较快速度Vq循环交替运动，直至找到全局零点P0，即止位挡杆的位置，步进电机紧急停止，且步进电机总是以较慢速度Vs紧急停止；

(4)找到全局零点P0后，以较慢速度Vs校正到真零点Pa，自检回零结束。

2.根据权利要求1所述的步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

步骤(2)中较快速度Vq选取的依据是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’减速信号而减速的减速距离不会超过真零点Pa到全局零点P0的距离。

3.根据权利要求1所述的步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

步骤(2)中较慢速度Vs选取的依据是步进电机找到全局零点P0紧急停止时不会过冲而发生严重碰撞。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

设真零点Pa与全局零点P0之间的距离为△S，△S＝Pa-P0，为了尽量减少以较慢速度Vs运动的时间以及以较快速度Vq运动减速时不会发生过冲而导致严重碰撞，Dsq≤△S≤△T*Vs，其中：Dsq为慢速Vs与快速Vq之间的加减速距离，也就是当步进电机检测到真零点Pa或伪零点Pa’霍尔信号而减速的减速距离，△T为慢速运动的时间。

5.根据权利要求1所述的步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

步骤(2)中，所述真零点Pa或伪零点Pa’减速信号由设置在步进电机上的霍尔传感器检测。

6.根据权利要求1所述的步进电机运动系统自检回零的方法，其特征在于，

步进电机的实际运动距离由安装在步进电机上的正交光电编码器获取。