CN106933261B - 基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法 - Google Patents

基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法，其控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台，控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将速度指令通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的速度控制。所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。所述的处理器以上位机位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，并通过最大频率限制、频率变化率的控制实现位置随动系统的控制功能。

Description

基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法，属于随动控制系统技术领域。
背景技术
位置随动系统是在给定的位置输入信号预先未知且随时间变化的控制系统，且系统位置输出量随位置输入量的变化而变化，通常驱动系统采用伺服电机驱动系统。步进电动机与步进电机驱动器组成的开环驱动系统，没有位置反馈元件，相比较采用伺服电机驱动，结构简单、价格低廉，在经济型设备中得到了广泛应用。
步进电机位置控制目前主要采用两种方法，方法1：在预先知道位置输入的情况下，采用运动轨迹加减速规划方法，实现步进电机的位置控制，如中国专利申请号：CN201210422712.3，申请日：2012年10月30日，专利名称为：一种步进电机的控制系统及控制方法，该发明涉及一种步进电机的控制系统及控制方法，由数字信号处理模块依据位置指令产生指数型加减速曲线，控制步进电机定位，这是目前步进电机控制普遍采用的方法。方法2：在负载末端安装位置传感器，检测负载的实际位置作为位置反馈信号，实现位置闭环控制，如文献“步进电机闭环伺服系统的高精度控制”（制导与引信，2013年第3期）中的基于步进驱动的位置闭环控制系统。
方法1是常用的步进驱动系统的位置控制方法，对应位置随动系统，其位置输入往往是未知的，因此难以采用轨迹规划的方式完成位置控制；方法2在位置控制系统增加位置传感器，作为位置反馈信号，可防止步进驱动失步或过冲，不足在于增加了硬件，系统复杂化，提高了位置控制系统的成本。
发明内容
为了解决上述不足，本发明提供了一种基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种基于步进驱动的位置随动控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将速度指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的速度控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动。
所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。
所述的处理器具备至少两个ARM定时器，所述处理器的位置控制运算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，并通过最大频率限制、频率变化率的控制实现位置随动系统的控制功能。
所述的匹配系数
Figure 216830DEST_PATH_IMAGE002
是将位置给定
Figure 130559DEST_PATH_IMAGE004
转换为位置给定脉冲数量
Figure 608945DEST_PATH_IMAGE006
,其计算式如式（1）：
Figure 127782DEST_PATH_IMAGE008
(1)
式（1）中，
Figure 400632DEST_PATH_IMAGE010
为减速机速比，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；
位置给定脉冲数量
Figure 4919DEST_PATH_IMAGE006
计算式为式（2）:
Figure DEST_PATH_IMAGE014
(2)。
所述的位置调节器的计算如式（3）：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为位置调节器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为虚拟位置反馈，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为期望输出频率。
所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，
Figure 641656DEST_PATH_IMAGE022
频率限制的计算式如式（4）：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
(4)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为步进驱动系统的最大频率（对应步进驱动系统的最高允许转速）。
所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制的计算式如式（5）：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
(5)
通过控制本次采样周期的期望输出频率
Figure 828049DEST_PATH_IMAGE022
与上次采样周期实际输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE030
之间的差值实现输出频率的增量控制，即两次之间频率差值限定在
Figure DEST_PATH_IMAGE032
之内，
Figure 147166DEST_PATH_IMAGE032
为步进驱动系统允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化率。
所述的频率输出是
Figure 301067DEST_PATH_IMAGE022
经过频率限制和频率变化率限制后的输出值利用ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号，同时依据
Figure 58939DEST_PATH_IMAGE022
的正负极性产生对应的方向信号，当
Figure DEST_PATH_IMAGE034
时，方向输出信号为高电平，当
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，方向输出信号为低电平，脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器对应控制端。
所述的虚拟位置反馈是将ARM定时器2设置为编码器接口模式，且使能定时器2自动重载功能，实现定时器2计数值在随动平台连续旋转一圈后计数值自动循环，自动重载寄存器的值
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 93979DEST_PATH_IMAGE038
计算式如式（6）：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
（6）
将ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号连接到ARM定时器2的脉冲输入端，将ARM定时器1产生方向输出信号连接到ARM定时器2的计算方向输入端，ARM定时器2的计数器值即为虚拟位置反馈
Figure 911893DEST_PATH_IMAGE020
。
一种基于步进驱动的位置随动控制系统的控制方法，包括如下步骤：
（1）初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；
（2）读取上位机接收上位机位置给定
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，读取定时器2虚拟位置反馈
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
（3）位置调节器计算，得出
Figure DEST_PATH_IMAGE044
值；
（4）频率限制计算，得出
Figure 38243DEST_PATH_IMAGE044
值；
（5）频率变化率计算，得出
Figure 396543DEST_PATH_IMAGE044
值；
（6）更新
Figure DEST_PATH_IMAGE045
值，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；
（7）依据
Figure 619845DEST_PATH_IMAGE044
值更新定时器1脉冲输出信号和方向输出信号；
（8）本采样周期控制结束，下一采样周期从步骤 （2）开始执行。
本发明所达到的有益效果：
（1）、本发明的系统通过利用对输出频率的双向计数，虚拟位置反馈，形成闭环位置随动系统的控制，可以充分利用闭环调节器的控制性能，实现基本步进驱动的随动控制；
（2）、本发明的系统通过对频率变化率的控制，有效解决未知输入无法规划步进电机运动轨迹，可能造成的步进电机驱动时的失步或过冲。
附图说明
图1是本发明的组成示意图；
图2是本发明的控制器组成示意图；
图3是本发明的位置控制算法示意图；
图4是本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种基于步进驱动的位置随动控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令（脉冲输出信号和方向输出信号）通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动。
如图2所示，所述的控制器，包括处理器（处理器具备至少具有两个定时器，本实例选择ARM芯片）、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。
如图3所示，所述处理器的位置控制算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器中以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，利用位置调节器的控制性能对步进电机加减速控制，实现位置随动系统的控制功能；所示的匹配系数
Figure 343082DEST_PATH_IMAGE002
是将位置给定
Figure 268313DEST_PATH_IMAGE004
（单位：度）转换为位置给定脉冲数量
Figure 385565DEST_PATH_IMAGE006
(单位：个),计算式如式（1）：
Figure 650324DEST_PATH_IMAGE008
(1)
式（1）中，
Figure 872358DEST_PATH_IMAGE010
为减速机速比，
Figure 222568DEST_PATH_IMAGE012
为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；
位置给定脉冲数量
Figure 922671DEST_PATH_IMAGE006
计算式为式（2）:
Figure 41936DEST_PATH_IMAGE014
(2)
所述的位置调节器计算如式（3）：
Figure 434872DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure 272378DEST_PATH_IMAGE018
为位置调节器的比例系数，
Figure 776171DEST_PATH_IMAGE020
为虚拟位置反馈，
Figure 749943DEST_PATH_IMAGE022
为期望输出频率(类似电机控制中期望电机转速值)。
所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，
Figure 251463DEST_PATH_IMAGE022
频率限制计算式如式（4）：
Figure 576265DEST_PATH_IMAGE024
(4)
式中
Figure 618170DEST_PATH_IMAGE026
为步进驱动系统的最大频率（对应步进驱动系统的最高允许转速）。
所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制计算式如式（5）：
Figure 712028DEST_PATH_IMAGE028
(5)
通过控制本次采样周期的期望输出频率
Figure 440907DEST_PATH_IMAGE022
与上次采样周期实际输出频率
Figure 987426DEST_PATH_IMAGE030
之间的差值实现输出频率的增量控制，即两次之间频率差值限定在
Figure 98601DEST_PATH_IMAGE032
之内，
Figure 46966DEST_PATH_IMAGE032
为步进驱动系统允许的最大角加速度（最大角减速度由于摩擦转矩的存在，系统允许的最大角减速度通常大于最大角加速度，因此可通过实验获得最大角加速度值，并留有一定的余量，确保不出现失步和过冲）对应的脉冲频率变化率。
所述的频率输出是
Figure 952605DEST_PATH_IMAGE022
经过频率限制和频率变化率限制后的输出值利用ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号（ARM定时器1设置为PWM输出模式，占空比恒定为50%），同时依据
Figure 986420DEST_PATH_IMAGE022
的正负极性产生对应的方向信号，当
Figure 370128DEST_PATH_IMAGE034
时，方向输出信号为高电平，当
Figure 438578DEST_PATH_IMAGE036
，方向输出信号为低电平，脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器对应控制端。
所述的虚拟位置反馈是将ARM定时器2设置为编码器接口模式，且使能定时器2自动重载功能，实现定时器2计数值在随动平台连续旋转一圈后计数值自动循环，自动重载寄存器的值
Figure 515118DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 36230DEST_PATH_IMAGE038
计算式如式（6）：
Figure 161312DEST_PATH_IMAGE040
（6）
本实例中速比
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
；将ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号连接到ARM定时器2的脉冲输入端，将ARM定时器1产生方向输出信号连接到ARM定时器2的计算方向输入端，ARM定时器2的计数器值即为虚拟位置反馈
Figure 897318DEST_PATH_IMAGE020
。
如图4所示，一种基于步进驱动的位置随动控制系统的控制方法，其计算步骤如下：（1）初始化
Figure 138900DEST_PATH_IMAGE041
；
（2）读取上位机接收上位机位置给定
Figure 84990DEST_PATH_IMAGE042
，读取定时器2虚拟位置反馈
Figure 76080DEST_PATH_IMAGE043
；
（3）位置调节器计算，得出
Figure 853543DEST_PATH_IMAGE044
值；
（4）频率限制计算，得出
Figure 271886DEST_PATH_IMAGE044
值；
（5）频率变化率计算，得出
Figure 502010DEST_PATH_IMAGE044
值；
（6）更新
Figure 296791DEST_PATH_IMAGE045
值，
Figure 928761DEST_PATH_IMAGE046
；
（7）依据
Figure 455688DEST_PATH_IMAGE044
值更新定时器1脉冲输出信号和方向输出信号；
（8）本采样周期控制结束，下一采样周期从步骤 （2）开始执行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。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效物界定。

Claims (2)

1.一种基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动；所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行；
所述的处理器具备至少两个ARM定时器，所述处理器的位置控制运算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器中以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，利用位置调节器的控制性能对步进电机加减速控制，实现位置随动系统的控制功能；
所述的匹配系数
Figure 14401DEST_PATH_IMAGE001
是将位置给定
Figure 665962DEST_PATH_IMAGE002
转换为位置给定脉冲数量
Figure 180120DEST_PATH_IMAGE003
,其计算式如式（1）：
Figure 44171DEST_PATH_IMAGE004
(1)
式（1）中，
Figure 592964DEST_PATH_IMAGE005
为减速机速比，
Figure 399114DEST_PATH_IMAGE006
为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；
位置给定脉冲数量
Figure 134989DEST_PATH_IMAGE003
计算式为式（2）:
Figure 68310DEST_PATH_IMAGE007
(2)；
所述的位置调节器的计算如式（3）：
Figure 471610DEST_PATH_IMAGE008
(3)
Figure 199394DEST_PATH_IMAGE009
为位置调节器的比例系数，
Figure 422565DEST_PATH_IMAGE010
为虚拟位置反馈，
Figure 143265DEST_PATH_IMAGE011
为期望输出频率；
所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，
Figure 401071DEST_PATH_IMAGE011
频率限制的计算式如式（4）：
Figure 299757DEST_PATH_IMAGE012
(4)
式中
Figure 275804DEST_PATH_IMAGE013
为步进驱动系统的最大频率；
所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制的计算式如式（5）：
Figure 285348DEST_PATH_IMAGE014
(5)
通过控制本次采样周期的期望输出频率
Figure 397660DEST_PATH_IMAGE011
与上次采样周期实际输出频率
Figure 716515DEST_PATH_IMAGE015
之间的差值实现输出频率的增量控制，即两次之间频率差值限定在
Figure 914278DEST_PATH_IMAGE016
之内，
Figure 727514DEST_PATH_IMAGE016
为步进驱动系统允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化率；
所述的频率输出是
Figure 959912DEST_PATH_IMAGE011
经过频率限制和频率变化率限制后的输出值利用ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号，同时依据
Figure 465979DEST_PATH_IMAGE011
的正负极性产生对应的方向信号，当
Figure 885459DEST_PATH_IMAGE017
时，方向输出信号为高电平，当
Figure 754583DEST_PATH_IMAGE018
，方向输出信号为低电平，脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器对应控制端；
所述的虚拟位置反馈是将ARM定时器2设置为编码器接口模式，且使能定时器2自动重载功能，实现定时器2计数值在随动平台连续旋转一圈后计数值自动循环，自动重载寄存器的值
Figure 575908DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 252877DEST_PATH_IMAGE019
计算式如式（6）：
Figure 425233DEST_PATH_IMAGE020
（6）
将ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号连接到ARM定时器2的脉冲输入端，将ARM定时器1产生方向输出信号连接到ARM定时器2的计算方向输入端，ARM定时器2的计数器值即为虚拟位置反馈
Figure 580271DEST_PATH_IMAGE010
。
2.一种如权利要求1所述的基于步进驱动的位置随动控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）初始化
Figure 521682DEST_PATH_IMAGE021
；
（2）读取上位机接收上位机位置给定
Figure 618820DEST_PATH_IMAGE022
，读取定时器2虚拟位置反馈
Figure 278471DEST_PATH_IMAGE023
；
（3）位置调节器计算，得出
Figure 971621DEST_PATH_IMAGE024
值；
（4）频率限制计算，得出
Figure 767538DEST_PATH_IMAGE024
值；
（5）频率变化率计算，得出
Figure 786310DEST_PATH_IMAGE024
值；
（6）更新
Figure 667678DEST_PATH_IMAGE025
值，
Figure 679365DEST_PATH_IMAGE026
；
（7）依据
Figure 595369DEST_PATH_IMAGE024
值更新定时器1脉冲输出信号和方向输出信号；
（8）本采样周期控制结束，下一采样周期从步骤 2）开始执行。
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