CN107664746B - 步进电机堵转检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种步进电机堵转检测方法，在步进电机正常运行后，控制器采集此时步进电机的一定时长反向电动势；将采集到的反向电动势进行数学变换，数学变换将反向电动势转化为频谱并得到特征频率，特征频率包括主要特征频率，主要特征频率对应一个特征幅值，比较特征幅值与第一预设阈值的大小，如果特征幅值大于第一预设阈值，步进电机堵转，并发出堵转警报；控制器间隔一个采样间隔继续采集相同时长反向电动势；主要特征频率为步进电机的转速与第一常数之比这样可以提高步进电机堵转检测精度。

Description

步进电机堵转检测方法
【技术领域】
本发明涉及一种步进电机的控制方法。
【背景技术】
电机系统包括步进电机和控制器，步进电机由控制器控制转动，在步进电机转动的过程中遇到障碍物时步进电机会发生堵转。在步进电机发生堵转时，如果控制器不能正确的检测到堵转信息并采取相应的措施，电机系统地工作将出现异常；或者如果控制器误报了步进电机的堵转信息，也会导致电机系统地工作异常。
因此，有必要对现有的技术进行改进，以解决以上技术问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种步进电机堵转检测方法，能够提高检测到步进电机的堵转信号的精度，抗电磁干扰能力强。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种步进电机堵转检测方法，包括以下步骤：
在所述步进电机正常运行后，控制器采集此时所述步进电机的一定时长的反向电动势；
将采集到的反向电动势进行数学变换，所述数学变换将所述反向电动势转化为频谱，在所述频谱中得到特征频率，所述特征频率对应特征幅值，所述特征频率包括主要特征频率，所述主要特征频率对应主要特征幅值；
所述控制器预设有第一预设阈值，比较所述主要特征幅值与所述第一预设阈值的大小，如所述主要特征幅值大于第一预设阈值，判定所述步进电机堵转，并发出堵转警报；
所述控制器间隔一个采样间隔继续采集相同时长的下一组反向电动势；
其中，所述主要特征频率为所述步进电机的转速与第一常数之比。
与现有技术相比，本发明的步进电机堵转检测方法，将采集到的反向电动势进行数学变换后，变换为频谱信号，频谱包括特征频率，特征频率对应特征幅值，根据特征幅值与阈值比较大小确定步进电机是否堵转，可以提高步进电机的堵转精度；同时干扰的电磁信号通常在兆赫兹级别，这些干扰的电磁信号不会纳入计算的频谱，这样有利于提高抗电磁干扰能力。
【附图说明】
图1是本发明的步进电机的一种系统框图；
图2是本发明电机的控制方法的一种流程图；
图3是采集到的步进电机的一定时间段的BMEF波形图；
图4是正常工作的步进电机的BMEF波形图经过数学变换的频谱图；
图5是堵转时步进电机的BMEF波形图经过数学变换的频谱图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
参见图1，步进电机1和控制器2配合工作，外部电源向步进电机1和控制器2供电。控制器2向步进电机1发送控制信号，步进电机1接收控制信号并进行相应的动作，控制器2采集步进电机1运行信号，根据采集到的步进电机1的运行信号对步进电机2发出不同的控制信号，这样控制器2对步进电机1形成控制。通常采集到的运行信号为反向电动势(以下简称BEMF)，在采集BEMF的过程中通常受到外界干扰信号的干扰，所述外界干扰信号包括电磁干扰信号。本实施例中，步进电机1可以应用于车用电子膨胀阀，控制器2包括中央控制器和电机驱动芯片2。
一种步进电机的堵转检测的方法，包括以下步骤：
控制器采集t时刻及t时刻以前的时长T的步进电机的BEMF。其中时长T＝tq*2n；其中tq为采样间隔，本实施例中，控制器采用的为单片机，为了节省单片机的资源，同时又满足控制精度的要求，采样间隔tq＝0.0156s，n＝6，当然为了提高控制精度，tq的取值可以更小，n的取值可以更大。
控制器实时对采集到的时长T的BEMF进行数学变换得到一频谱信号；该频谱信号包括频率(Frequency)和幅值(∣Y(f)∣)，每一个频率对应于频谱的一个幅值。频率包括特征频率fs，特征频率fs与步进电机的转速有关，特征频率fs通过对相同转速下的步进电机进行实验测得。其中该数学变换包括快速傅里叶变换。通过对电机堵转在不同转速下的试验得出特征频率信号fs＝电机转速/X，X为一常数。
在相同的转速下，特征频率fs包括主要特征频率fs1，主要特征频率fs1对应于主要特征幅值As1，特征频率fs还可以包括次要特征频率fs2，次要特征频率fs2对应次要特征幅值As2，特征频率fs还包括第三特征频率fs3，第三特征频率fs3对应第三特征幅值As3。通常次要特征频率fs2为主要特征频率fs1的倍频，第三特征频率fs3靠近0Hz。
当主要特征频率fs1对应于频谱的主要特征幅值As1大于等于第一预设阈值Ts1时，步进电机必然堵转。其中第一预设阈值Ts1结合实验结果预设。这样采集到的反向电动势进行数学变换后，变换为频谱信号，频谱包括主要特征频率fs1，主要特征频率fs1对应主要特征幅值As1，根据主要特征幅值As1与第一预设阈值Ts1比较大小确定步进电机是否堵转，可以提高步进电机的堵转精度；同时干扰的电磁信号通常在兆赫兹级别，这些干扰的电磁信号不会纳入计算的频谱，这样有利于提高抗电磁干扰能力。
参见图3，BEMF包括时长T的第一BEMF和时长T的第二BEMF，第一BEMF为正常工作时的BEMF，第二BEMF为堵转时的BEMF波，第一BEMF经过数学变换后的频谱如图4所示，第二BEMF经过数学变换后的频谱如图5所示。
参见图4，步进电机正常工作，频谱中的特征幅值均较小，特征幅值均小于第一预设阈值Ts1，包括主要特征幅值As1小于第一预设阈值Ts1；本实施方式，还包括第二预设阈值As2和第三预设阈值As3，其中主要特征幅值As1和次要特征幅值As2之和小于第二预设阈值Ts2，主要特征幅值As1、次要特征幅值As2以及第三特征幅值As3之和小于第三预设阈值Ts3，步进电机正常工作。本实施方式中，不对步进电机正常工作进行判断，只对堵转进行检测，除了堵转状态，均判定为步进电机正常工作。
参见图5，步进电机堵转，步进电机的堵转包括两种情况，第一种情况为步进电机的转子完全卡死，转子完全静止，第二种情况为步进电机的转子在障碍物附近来回震动。频谱中，特征频谱波动较大，并且主要特征频率对应的主要特征幅值较大，主要特征幅值大于等于第一预设阈值，次要特征频率对应的次要特征幅值和第三特征频率对应第三特征幅值也比较大。主要特征幅值As1大于等于第一预设阈值Ts1，步进电机必然堵转。当主要特征幅值As1小于第一预设阈值Ts1，但是主要特征幅值As1和次要特征幅值As2大于等于第二预设阈值Ts2或者主要特征幅值As1和次要特征幅值As2以及第三特征幅值As3大于等于第三预设阈值Ts3时，步进电机也必然堵转。
本实施例中，主要特征频率为15Hz，次要特征频率为30Hz，第三特征频率为2Hz左右。
为了提高检测精度，主要特征幅值As1预设为主要特征频率fs1±10％取整数对应的特征幅值之和，主要特征幅值As1当高于第一预设阈值Ts1，步进电机堵转。次要特征幅值As2预设为次要特征频率fs2±10％取整数对应的特征幅值之和，第三特征幅值As3预设为第三特征频率fs3±10％取整数对应的特征幅值之和，当主要特征幅值As1小于第一预设阈值Ts1，但是主要特征幅值As1和次要特征幅值As2大于等于第二预设阈值Ts2或者主要特征幅值As1和次要特征幅值As2以及第三特征幅值As3大于等于第三预设阈值Ts3时，步进电机也必然堵转。
控制器采集到两个时长的第一反向电动势和第二反向电动势，第一反向电动势和第二反向电动势间隔一个采样间隔，将第一反向电动势和所述第二反向电动势分别作为复序列的实部和虚部，对复序列进行数学变换。这样用复序列的变换一次求得两个序列的变换结果，从而节约运算量。
需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种步进电机堵转检测方法，包括以下步骤：
在所述步进电机正常运行后，控制器采集此时所述步进电机的一定时长的反向电动势；
将采集到的反向电动势进行数学变换，所述数学变换包括将所述反向电动势转化为频谱，在所述频谱中得到特征频率，所述特征频率对应特征幅值，所述特征频率包括主要特征频率，所述主要特征频率对应主要特征幅值；
所述控制器预设有第一预设阈值，比较所述主要特征幅值与所述第一预设阈值的大小，如所述主要特征幅值大于第一预设阈值，判定所述步进电机堵转，并发出堵转警报；
所述控制器间隔一个采样间隔继续采集相同时长的下一组反向电动势；
其中，所述主要特征频率为所述步进电机的转速与第一常数之比。
2.根据权利要求1所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述特征频率还包括次要特征频率，所述次要特征频率对应次要特征幅值，如所述主要特征幅值和所述次要特征幅值之和大于第二预设阈值，判定所述步进电机堵转，并发出堵转警报；所述次要特征频率为所述步进电机的转速与第二常数之比。
3.根据权利要求2所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述次要特征频率为所述主要特征频率的倍数，所述第一预设阈值大于所述第二预设阈值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述控制器每次采集到的所述反向电动势的时长等于所述采样间隔与2n的乘积，其中n大于等于6。
5.根据权利要求4所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述控制器为单片机，所述数学变换模块集成于所述单片机，所述数学变换包括快速傅立叶变换。
6.根据权利要求2所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述特征频率还包括第三特征频率，所述第三特征频率靠近0hz，所述第三特征频率对应第三特征幅值，所述控制器预设有第三预设阈值，如所述主要特征幅值、所述次要特征幅值以及所述第三特征幅值之和大于所述第三预设阈值，判定所述步进电机堵转，并发出堵转警报；
所述控制器间隔一个采样间隔继续采集相同时长的下一组反向电动势；
其中，所述第三特征频率为所述步进电机的转速与第三常数之比；所述第三预设阈值通过实验而得。
7.根据权利要求2所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：如所述主要特征幅值和所述次要特征幅值之和小于等于所述第二预设阈值，判断所述步进电机正常工作。
8.根据权利要求6所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：如所述主要特征幅值、所述次要特征幅值以及所述第三特征幅值之和小于等于所述第三预设阈值，判断所述步进电机正常工作。
9.根据权利要求8所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述主要特征幅值为对所述主要特征频率左右10％的数据取整对应的特征幅值之和，所述次要特征幅值为对所述次要特征频率左右10％的数据取整对应的特征幅值之和，所述第三特征值为对所述第三特征频率左右10％的数据取整对应的特征幅值之和。
10.根据权利要求1-3或5至9任一项所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述控制器采集到两个时长的第一反向电动势和第二反向电动势，所述第一反向电动势和所述第二反向电动势间隔一个采样间隔，将所述第一反向电动势和所述第二反向电动势分别作为复序列的实部和虚部，对所述复序列进行所述数学变换。
11.根据权利要求4所述的步进电机堵转检测方法，其特征在于：所述控制器采集到两个时长的第一反向电动势和第二反向电动势，所述第一反向电动势和所述第二反向电动势间隔一个采样间隔，将所述第一反向电动势和所述第二反向电动势分别作为复序列的实部和虚部，对所述复序列进行所述数学变换。
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