CN106877762A - 一种步进电机驱动器电流标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机驱动器电流标定装置及方法，包括步进电机和磁粉制动器，步进电机的输出轴通过联轴器连接至磁粉制动器，步进电机的尾轴上装有用于检测步进电机转角的角位移传感器，步进电机上连接有用于驱动步进电机的步进电机驱动器，且步进电机驱动器与角位移传感器之间连接有控制器，控制器与磁粉制动器之间连接有张力控制器。本发明能够实现阀门步进电机合理驱动电流值的标定，比设定在步进电机额定电流值或凭经验设定更科学。

Description

一种步进电机驱动器电流标定装置及方法

技术领域

本发明属于机电工程领域，具体涉及一种步进电机驱动器电流标定装置及方法。

背景技术

步进电机是一种按照步距角转动实现精密定位控制的电机，它需要与步进电机驱动器配套使用，然而步进电机在出厂时提供的计数参数仅包括额定转矩及额定电流，额定转矩指的是步进电机在额定电流条件下能够产生的转矩大小。步进电机驱动器有多个电流设定档位，分别对应不同的电流设定值大小，工程人员在选择电流设置定值时往往凭借经验，一般将步进电机驱动器电流设定为与步进电机的额定电流相等，这样，虽然步进电机能在额定电流条件下安全工作，但输出的转矩与额定转矩相等。

但是工程中往往需要将步进电机的驱动转矩设定到额定设计转矩，这一额定设计转矩通常小于步进电机的额定转矩。然而仅掌握步进电机的额定转矩、额定电流，无法知道步进电机驱动器电流设定在何值时能够使步进电机的输出转矩等于额定设计转矩。

这一问题在制浆造纸工业用的高精度定量阀及流浆箱稀释水阀行业上体现的尤为突出。定量阀(阀门机械结构及控制见专利CN200971996Y、CN103090083A)被设计出来以用于纸张的纵向定量控制。流浆箱稀释水阀(阀门机械结构及控制见专利CN20100590897.X、CN201410616320.X、CN201420552085.X、CN201420553135.6、CN201420552373.5)被设计出来用于稀释水水力式流浆箱的横幅定量控制。

定量阀及流浆箱稀释水阀与普通阀门的区别是它采用步进电机驱动，配用专门的步进电机驱动器，步进电机驱动器有多个电流设定档位，用以调节向步进电机输送的驱动电流大小。步进电机的驱动转矩与驱动电流大小相关，驱动电流越大，则驱动力矩越大，但是驱动转矩与驱动电流不是线性比例关系，而且驱动转矩与驱动电流大小的数值对应关系却不被使用者所知。步进电机的规格参数包括额定电流及额定转矩，其中额定转矩与额定电流大小值对应。传统的做法是将步进电机驱动器的驱动电流档位按照步进电机的额定电流值设定，确保步进电机不会超过额定电流工作，保护电机的安全运行。但是这种做法难以与阀门的额定设计转矩匹配，以DN125规格的定量阀为例，其额定设计转矩为250N·m，减速机减速比为200：1，则折合到阀门步进电机上的额定负载转矩为1.25N·m。然而市场上售卖的步进电机的额定转矩规格中没有与阀门额定转矩绝对相等的，因此在设计时一般会选择比额定负载转矩大的步进电机规格。例如下一规格的步进电机额定转矩为2.2N·m，比步进电机的额定负载转矩大得多。若将步进电机驱动器的电流设定为步进电机额定工作电流4.2A，虽然没有超过步进电机的额定工作电流，电机能够正常工作。但是若阀门在工作过程中受到输送介质或颗粒、纤维的阻碍而导致阀芯卡滞而停止转动，然而步进电机仍将输出驱动转矩，这一最大转矩将由步进电机在设定电流下的最大驱动转矩决定，而且事实上这一转矩往往会大于额定转矩一些，这样导致了驱动转矩超过了阀门的额定设计转矩，会造成阀门的机械结构损坏。

若是凭借经验设定步进电机驱动器的设定电流值，通常在阀门制造后，调节步进电机的电流设定档位，使电机能够驱动阀门运转即设定这个值为驱动器驱动电流设定值。这样做虽然在阀门出厂时能够驱动阀门转动，但是阀门在使用一段时间后受到磨损、润滑不良、阀芯沾染污物都会造成阀门实际承受的阻力转矩变大，因此步进电机不再有充足的转矩驱动阀门运行，造成阀门的定位精度下降，甚至阀门卡滞停止运转。

上面提到的两种情况都是阀门驱动的步进电机驱动器电流设定不合理的情况，偏大或偏小均与阀门的额定设计转矩不匹配，导致阀门无法正常工作。

因此针对这一问题，迫切需要开发出一种步进电机驱动器驱动电流设定值的标定装置，用以把步进电机驱动转矩标定到额定设计的负载转矩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种步进电机驱动器电流标定装置及方法，以克服现有技术中的问题，本发明能够实现阀门步进电机合理驱动电流值的标定，比设定在步进电机额定电流值或凭经验设定更科学。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种步进电机驱动器电流标定装置，包括步进电机和磁粉制动器，步进电机的输出轴通过联轴器连接至磁粉制动器，步进电机的尾轴上装有用于检测步进电机转角的角位移传感器，步进电机上连接有用于驱动步进电机的步进电机驱动器，且步进电机驱动器与角位移传感器之间连接有控制器，控制器与磁粉制动器之间连接有张力控制器。

进一步地，步进电机和磁粉制动器均设置在台架上。

进一步地，所述的角位移传感器为光电角位移传感器。

进一步地，还包括能够测出张力控制器在不同励磁电流条件下的为磁粉制动器提供的制动转矩值的扭矩扳手。

一种步进电机驱动器电流标定装置的标定方法，包括以下步骤：

步骤一：确定步进电机的额定设计转矩；

步骤二：调节张力控制器的励磁电流，使磁粉制动器的制动转矩等于步进电机的设计负载转矩；

步骤三：从小到大调节步进电机驱动器的电流设定开关，将步进电机驱动器电流设定为不超过步进电机额定电流的其中一个电流设定档位；

步骤四：控制器向步进电机驱动器发送一定数量的控制脉冲，驱动步进电机在设计负载转矩下转动；并通过角位移传感器记录步进电机的实际转角，与发送控制脉冲对应的步进电机理论转角比较，若两者的差值大于步进电机的一个步距角，则增大步进电机驱动器的电流设定值；

步骤五：不断增大步进电机驱动器的电流设定值，直到发送控制脉冲对应的步进电机理论转角与通过角位移传感器测定的实际转角一致，步进电机驱动器设定的电流值即能够满足步进电机设计负载转矩。

进一步地，当磁粉制动器制动转矩与励磁电流之间的关系未知时，在步骤一和步骤二之间还包括：使用扭矩扳手测出张力控制器在不同励磁电流条件下的磁粉制动器提供的制动转矩值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明能够实现步进电机合理驱动电流值的标定，使步进电机的驱动电流值与实际需求的转矩值匹配。解决了传统技术将步进电机驱动器电流档位设定在步进电机额定电流值存在的驱动转矩过大，超过了实际需求的驱动转矩的问题，有效防止了机械机构卡滞而步进电机输出转矩过大造成机械构件损坏的问题。也解决了随意设定步进电机驱动器电流值，虽然当时有足够的转矩能驱动步进电机转动，但是在使用一段时间后机械阻力变大，或步进电机性能下降，步进电机不再有充足的转矩驱动机构运行，出现转矩不足而导致丢步的问题。本装置能够实现阀门步进电机合理驱动电流值的标定，比设定在步进电机额定电流值或凭经验设定更科学。

本发明方法比设定在步进电机额定电流值或凭经验设定更科学，所得到的步进电机驱动转矩既不过大，也不过小，而是与步进电机实际需要的额定设计转矩匹配。

附图说明

图1是本发明的测试装置结构示意图；

图2为本发明的控制系统原理图；

图3是本发明的工作流程图。

其中，1、角位移传感器，2、步进电机，3、台架，4、联轴器，5、磁粉制动器，6、步进电机驱动器，7、控制器，8、张力控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1和图2，一种步进电机驱动器电流标定装置，该测试装置的台架3上安装有与阀门同型号的步进电机2，并且步进电机2的尾轴上安装有角位移传感器1，用以检测步进电机2的转角，步进电机2的输出轴通过联轴器4连接到磁粉制动器5。与磁粉制动器6配套的张力控制器8能够为磁粉制动器6提供不同大小的励磁电流，从而调节制动转矩的大小，将磁粉制动器5的制动转矩调整到与阀门步进电机2的额定设计转矩。测试装置配有扭矩扳手，能够读出扭矩数值，用于测定磁粉制动器5与励磁电流的关系，以及步进电机2转矩的大小。而且本装置还配有专门的控制器7，用以向步进电机驱动器6发送控制脉冲以驱动步进电机2转动，而且采集光电角位移传感器1发送的脉冲信号，计量步进电机2的准确转角。通过与发送的控制脉冲数量对比用以判断电机是否发生了丢步，进而评价不同驱动电流条件下的步进电机2的定位精度，最终得到与设计转矩相匹配的驱动电流设定值。

参见图3，一种步进电机驱动器电流标定方法，包括以下步骤：

步骤一：确定步进电机2的额定设计转矩。

步骤二：使用扭矩扳手测出张力控制器8在不同励磁电流条件下的磁粉制动器5提供的制动转矩值；若已经知道磁粉制动器5制动转矩大小与励磁电流之间的关系，则跳过步骤二。

步骤三：调节张力控制器8的励磁电流大小，使磁粉制动器5的制动转矩等于步进电机2的设计负载转矩大小；

步骤四：从小到大调节步进电机驱动器6的电流设定开关，将步进电机驱动器6电流设定为不超过步进电机2额定电流的其中一个电流设定档位；

步骤五：控制器7向步进电机驱动器6发送一定数量的控制脉冲，驱动步进电机2在设计负载转矩下转动；并通过角位移传感器1记录步进电机2的实际转角，与发送控制脉冲对应的步进电机2理论转角比较，若两者差值大于步进电机的一个步距角，则说明此驱动电流值条件下的驱动转矩不足，不足以抵消负载的转矩大小，步进电机发生了丢步现象，不能满足步进电机2的定位精度需求，需要增大步进电机驱动器6电流设定值。

步骤六：直到发送控制脉冲对应的步进电机2理论转角与通过角位移传感器1测定的实际转角一致，步进电机驱动器6设定的电流值能够满足步进电机2设计负载转矩的大小。

下面对本发明的操作过程做详细描述：

参见图1，一种步进电机驱动器驱动电流设定值的标定装置，包括角位移传感器1、步进电机2、台架3、联轴器4、磁粉制动器5。角位移传感器1与步进电机2相连接。步进电机2的输出轴通过联轴器4与磁粉制动器5的轴相连接。步进电机2、磁粉制动器5安装在台架3上。各部件的功能如下：角位移传感器1用于检测步进电机2的真实转角，磁粉制动器5用于提供步进电机2承受的转矩。

参见图2，为标定装置的控制系统原理示意。该控制系统由步进电机驱动器6、控制器7、张力控制器8组成。控制器7与步进电机驱动器6的Port2相连，用于向步进电机驱动器6发送控制脉冲信号及方向信号及驱动器使能信号，起到控制步进电机2运转的作用。步进电机驱动器6的Port1与步进电机2相连，用于向步进电机2发送驱动电流，驱动步进电机2转动。控制器7与角位移传感器1的Port3相连接，用于检测角位移传感器7产生的转角信号。张力控制器8与磁粉制动器5配套，用于产生调节磁粉制动器5制动转矩的励磁电流信号。控制器7与磁粉制动器5配套的张力控制器8的Port5相连接，用以调节控制器8的励磁电流大小。张力张力控制器8的Port5与磁粉制动器5的Port4连接用于传动励磁电流信号用以调节磁粉制动器5产生的制动转矩大小。

所述的Port1、Port2、Port3、Port4、Port5仅仅表示控制系统之间的互联关系，改变它们的名称不能脱离本发明保护的范围。

所述的磁粉制动器5起到的作用是提供与步进电机2设计转矩相等的负载转矩，而与张力控制器8励磁电流控制信号的来源无关，例如可以通过本发明的控制系统给定，也可以通过张力控制器8的手动给定。磁粉制动器5与张力控制器8配套的目的是为了为步进电机2提供与设计转矩相等负载转矩，而与负载转矩大小调节的方式无关。

所述的角位移传感器1起到测量步进电机2真实转角大小的作用，而与角位移传感器的类型及输出信号规格无关。

所述的控制器起到的作用是向步进电机驱动器6发送控制脉冲信号，发送信号的规格及数量大小不脱离本发明的保护范围。

参见图3为本发明的测试方法：规定步进电机2的额定设计负载转矩表示为Td。步进电机驱动器6的电流设定值表示为In，其中n表示为步进电机驱动器6中的第n个电流设定档位，测试时一般从小到达逐渐提高电流设定值。调节磁粉制动器配套的张力控制器8的励磁电流电流大小，使磁粉制动器5产生的制动转矩大小等于Td。通过控制器7向步进电机驱动器6发送一定数量的控制脉冲，步进电机2在理论上产生的转角表示为θ，用精密的角位移传感器1测的步进电机的实际转角为θ’,将θ’与θ比较，若实际转角与理论转角的差值大于步进电机的一个步距角，则说明此驱动电流值条件下的驱动转矩不足，不足以抵消负载的转矩大小，则说明步进电机驱动器6的电流设定值In不适合步进电机2的负载转矩Td。则需要进一步增大整步进电机驱动器的电流设定值为I_n+1，再进行一轮测试，直到找到能满足精度要求的步进电机驱动器电流设定值。

实施例一：

步骤一：首先根据阀门的额定设计转矩，以及减速机的减速比，计算出折合到阀门驱动步进电机2的额定设计转矩；

步骤二：使用扭矩扳手测出张力控制器8在不同励磁电流条件下的为磁粉制动器5提供的制动转矩值；

步骤三：调节张力控制器8的励磁电流大小，使磁粉制动器5的制动转矩等于步进电机2的设计负载转矩大小；

步骤四：调节步进电机驱动器6的电流设定开关，将步进电机驱动器6电流设定为不超过步进电机2额定电流的其中一个电流设定档位；

步骤五：控制器7向步进电机驱动器6发送一定数量的控制脉冲，驱动步进电机2在设计负载转矩下转动；并通过角位移传感器1记录步进电机2的实际转角，与发送控制脉冲对应的步进电机2理论转角比较，假设步进电机的步距角为1.8°，而两者的差值大于1.8°，则说明步进电机发生了丢步现象，此电流条件下步进电机的驱动转矩小于负载转矩，则说明步骤四中设定的驱动电流值过小，步进电机2无法在设计负载转矩下实现精密定位，需要增大步进电机驱动器6电流设定值。

步骤六：直到发送控制脉冲对应的步进电机2理论转角与通过角位移传感器1测定的实际转角一致，步进电机驱动器6设定的电流值能够满足定量阀步进电机2设计负载转矩的大小。

Claims (6)

1.一种步进电机驱动器电流标定装置，其特征在于，包括步进电机(2)和磁粉制动器(5)，步进电机(2)的输出轴通过联轴器(4)连接至磁粉制动器(5)，步进电机(2)的尾轴上装有用于检测步进电机(2)转角的角位移传感器(1)，步进电机(2)上连接有用于驱动步进电机(2)的步进电机驱动器(6)，且步进电机驱动器(6)与角位移传感器(1)之间连接有控制器(7)，控制器(7)与磁粉制动器(5)之间连接有张力控制器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动器电流标定装置，其特征在于，步进电机(2)和磁粉制动器(5)均设置在台架(3)上。

3.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动器电流标定装置，其特征在于，所述的角位移传感器(1)为光电角位移传感器。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动器电流标定装置，其特征在于，还包括能够测出张力控制器(8)在不同励磁电流条件下的为磁粉制动器(5)提供的制动转矩值的扭矩扳手。

5.一种采用权利要求1所述的步进电机驱动器电流标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定步进电机(2)的额定设计转矩；

步骤二：调节张力控制器(8)的励磁电流，使磁粉制动器(5)的制动转矩等于步进电机(2)的设计负载转矩；

步骤三：从小到大调节步进电机驱动器(6)的电流设定开关，将步进电机驱动器(6)电流设定为不超过步进电机(2)额定电流的其中一个电流设定档位；

步骤四：控制器(7)向步进电机驱动器(6)发送一定数量的控制脉冲，驱动步进电机(2)在设计负载转矩下转动；并通过角位移传感器(1)记录步进电机(2)的实际转角，与发送控制脉冲对应的步进电机(2)理论转角比较，若两者的差值大于步进电机(2)的一个步距角，则增大步进电机驱动器(6)的电流设定值；

步骤五：不断增大步进电机驱动器(6)的电流设定值，直到发送控制脉冲对应的步进电机(2)理论转角与通过角位移传感器(1)测定的实际转角一致，步进电机驱动器(6)设定的电流值即能够满足步进电机(2)设计负载转矩。

6.根据权利要求5所述的步进电机驱动器电流标定方法，其特征在于，当磁粉制动器(5)制动转矩与励磁电流之间的关系未知时，在步骤一和步骤二之间还包括：使用扭矩扳手测出张力控制器(8)在不同励磁电流条件下的磁粉制动器(5)提供的制动转矩值。