CN110620531A - 一种基于多圈反馈的步进电机调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，所述方法包括：步骤一、采集电机转轴在从静止到转动过程中的角度变化动态；步骤二、根据电机运行时的角度变化动态，调整电机A、B相电流值，从而调整电机的运行。采用上述技术方案，噪音低，运行平稳；同等负载情况下，功耗更低，效率更高；负载动态变化情况下，响应快，运行比外置驱动器更加平稳；测量传感器直接安置于轴上，减小了整体体积，又避免了外置安装的引起配合误差；带多圈反馈，可以精确地确定其位置，并提供给上层设备；失电情况下，电机转动多圈后，上电时仍可准备感知位置，分辨率达到0.022°；一体化结构，体积更小，无需维护安装更加方便；非接触式传感，寿命长。

Description

一种基于多圈反馈的步进电机调控方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体指一种基于多圈反馈的步进电机调控 方法。

背景技术

步进电机的用途十分的广泛，相比普通的直流电机有着更大的扭矩以及更 精准的控制，在很多情况下，特别是在自动化领域，许多设备的运行都离不开 电机，但是在传统的设备中使用的步进电机，往往存在以下较为明显的缺陷：

常规的步进电机步进角度比较大，一般为0.9°，虽然现在驱动器通过控制 电流比例实现细分控制使其达到更高精度，但是细分控制只是控制电机两极驱 动电流，虽然理论上实现了高精度控制，但是由于制造原因，电机两极参数并 不可能是完全相同，而且采用分体式结构，受制于测量精度和控制环境影响， 使实际控制精度远低于理论精度。

为达到足够的扭矩，一般都是增加电流来解决。但是电机在运行过程中， 很多时候负载是变化的，比如启动时候电流需要很大，负载小的时候仅需要很 小的电流。现在的驱动器一般都是根据需要的最大的电流来工作，造成能源浪 费，浪费的能量被转换为热量，又导致系统发热严重。

步进电机常规控制为开环控制，运行中由于负载变化等情况，不可避免的 存在丢步情况，影响控制精度。长时间工作后由于误差积累，精度大大降低。 现在一般避免这种情况，一般给控制对象加入反馈来修正。系统负载度增加， 使系统结构变得负载，且不便于维护。

在步进电机控制系统中，很多控制设备，断电后位置会发生变化，为了满 足精度控制要求，通现在通用的解决方法给系统增加一套测量装置来感知状态； 安装繁琐，体积大，成本高，需维护，易损坏。

发明内容

本发明根据现有技术的不足，提出一种基于多圈反馈的步进电机调控方法， 使用绝对角度，角速度与电流三重闭环控制方法，大大提高了响应速度与控制 精度，并降低了能源的消耗。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，所述方法包括：

步骤一、采集电机转轴在从静止到转动过程中的角度变化动态；

步骤二、根据电机运行时的角度变化动态，调整电机A、B相电流值，从而 调整电机的运行。

作为优选，方法还包括：

步骤三、对电机转动进行加速；

步骤四、采集电机转轴在从静止到转动过程中经加速器加速后输出的角度 变化动态；

步骤五、根据电机运行时经加速后输出的角度变化动态调整电机的运行。

作为优选，所述步骤一包括：

预设电机启动最佳加速曲线；

设定电机运行时间t；

采集电机转轴在预设的时间t内转动的角度数据；

根据内部定时器t和角度数据计算出电机实际运行的实际角速度ω和实际 角加速度α；

所述实际角速度ω和实际角加速度α的计算公式为：

ω＝(ωb-ωa)/(tb-ta)；α＝dω/dt；

通过得到角速度ω和角加速度α得到电机启动实际加速曲线；

所述步骤二包括：

根据预设的加速曲线得到目标角速度ω和目标角加速度α，并通过计算得 到目标电流因子，根据目标电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的 电流目标值；

根据实际角速度ω和实际角加速度α，通过计算得到实际电流因子，根据 实际电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的实际目标值；

通过调整电机AB相电流，使得电机启动的实际加速曲线接近预设的加速曲 线；

所述电流因子的计算公式为：

其中e(t)为单位时间内角速度的变化，

所述e(t)的计算公式为：

e(t)＝ωT-ω；

其中，ωT为预设加速曲线的角速度。

作为优选，所述步骤四与步骤一相同，对电机转轴在从静止到转动过程中 经加速器加速后输出的角度变化动态进行采集和计算。

作为优选，所述步骤五与步骤二相同，根据步骤四采集和计算的结果对电 机进行调整。

本发明具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，噪音低，运行平稳；同等负载情况下，功耗更低，效 率更高；负载动态变化情况下，响应快，运行比外置驱动器更加平稳；测量传 感器直接安置于轴上，减小了整体体积，又避免了外置安装的引起配合误差； 带多圈反馈，可以精确地确定其位置，并提供给上层设备；失电情况下，电机 转动多圈后，上电时仍可准备感知位置，分辨率达到0.022°；一体化结构，体 积更小，无需维护安装更加方便；非接触式传感，寿命长。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外” 等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示 或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因 此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目 的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数 量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或 者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或 两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是 可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接 相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领 域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含 义。

本发明提供了一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，所述方法包括：

步骤一、采集电机转轴在从静止到转动过程中的角度变化动态；

步骤二、根据电机运行时的角度变化动态，调整电机A、B相电流值，从而 调整电机的运行。

进一步的，方法还包括：

步骤三、对电机转动进行加速；

步骤四、采集电机转轴在从静止到转动过程中经加速器加速后输出的角度 变化动态；

步骤五、根据电机运行时经加速后输出的角度变化动态调整电机的运行。

具体的，所述步骤一包括：

预设电机启动最佳加速曲线；

设定电机运行时间t；

采集电机转轴在预设的时间t内转动的角度数据；

根据内部定时器t和角度数据计算出电机实际运行的实际角速度ω和实际 角加速度α；

所述实际角速度ω和实际角加速度α的计算公式为：

ω＝(ωb-ωa)/(tb-ta)；α＝dω/dt；

通过得到角速度ω和角加速度α得到电机启动实际加速曲线；

具体的，所述步骤二包括：

根据预设的加速曲线得到目标角速度ω和目标角加速度α，并通过计算得 到目标电流因子，根据目标电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的 电流目标值；

根据实际角速度ω和实际角加速度α，通过计算得到实际电流因子，根据 实际电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的实际目标值；

通过调整电机AB相电流，使得电机启动的实际加速曲线接近预设的加速曲 线；

所述电流因子的计算公式为：

其中e(t)为单位时间内角速度的变化，

所述e(t)的计算公式为：

e(t)＝ωT-ω；

其中，ωT为预设加速曲线的角速度。

上述技术方案中：

角速度闭环作用：

1、转速跟踪转速曲线及目标转速；

2、对负载变化起抗扰动作用；

3、输出结果决定步进电机允许的电流。

电流闭环

由于，步进电机A、B两相是完全独立的2个电流闭环。

根据速度闭环的计算，我们控制电流来实现电机以最接近的设定曲线来运 作。

在步进电机运转中，通过控制相电流来实现细分，细分越高，工作越精细， 噪音也更低。

由于制造因素，工作环境，电机老化，电源变化，驱动功率器件等等因素 的影响，PWM值电流并不相等，甚至有很大的偏差。电流闭环则解决了这个问 题。

根据角速度变化动态计算的目标电流因子，根据电流因子，结合电机角度， 计算分别出A、B相电流目标值，调整PWM控制电机的A、B相电流。

电流闭环的作用：

1、电流跟踪MCU输出控制结果；

2、对电网电压波动起抗扰作用；

3、对功率驱动电路内阻波动起抗扰作用；

4、保证获得电机允许的最佳电流，加快动态过程；

5、电机过载或堵转时，起快速自我保护功能，保障系统的可靠运行。

另外，由于角度闭环的应用，使目标位置与细分精度无关，电机制造的误 差，环境影响，负载变化都不会影响最终精度。其精度只受制于角度测量的误 差。使误差计算和修正可控。精度大大提高。

由于目标位置，使用角度闭环控制实现，使运行过程与最终控制精度无关， 解决了负载变化电机丢步等影响控制精度的问题。

在负载轻的时候，电流自动减小，在负载增加的时候，电流增大，使能源 效率大大提高，发热情况大大改善。电机运行更加平稳，响应更快，噪音更低。

具体的，所述步骤四与步骤一相同，对电机转轴在从静止到转动过程中经 加速器加速后输出的角度变化动态进行采集和计算。

具体的，所述步骤五与步骤二相同，根据步骤四采集和计算的结果对电机 进行调整。

上述技术方案中，

多圈绝对值角度闭环：

绝对角度闭环通过对电机转轴以及加速后转动的角速度变化动态联合应用 实现。

具体的，通过采集单圈内的高精度角度数据，并同时采集加速后多圈的低 精度大角度数据。利用通过步骤一、二进行修正，合并得到高精度的多圈传感 器数据。经过步骤一、二校正的可以获得0.022°分辨率，经过步骤一至五联合 矫正，除去加速器误差影响，可以提供大于128圈，精度优于0.022°的多圈角 度数据。

电机运行中，比较用户给定的目标位置，控制加减速曲线，保证电机准确 停在目标位置。

多圈绝对闭环作用：

1、运行到目标位置误差极小；

2、断电不影响运行结果；

3、任意时间知道系统所处位置；

4、外力影响系统可以修正；

5、无积累误差；

6、失电时手动操作系统可以感知。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方 式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这 些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护 范围内。

Claims (6)

1.一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、采集电机转轴在从静止到转动过程中的角度变化动态；

步骤二、根据电机运行时的角度变化动态，调整电机A、B相电流值，从而调整电机的运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，方法还包括：

步骤三、对电机转动进行加速；

步骤四、采集电机转轴在从静止到转动过程中经加速器加速后输出的角度变化动态；

步骤五、根据电机运行时经加速后输出的角度变化动态调整电机的运行。

3.根据权利要求1所述的一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，所述步骤一包括：

预设电机启动最佳加速曲线；

设定电机运行时间t；

采集电机转轴在预设的时间t内转动的角度数据；

根据内部定时器t和角度数据计算出电机实际运行的实际角速度ω和实际角加速度α；

所述实际角速度ω和实际角加速度α的计算公式为：

ω＝(ωb-ωa)/(tb-ta)；α＝dω/dt；

通过得到角速度ω和角加速度α得到电机启动实际加速曲线。

4.根据权利要求3所述的一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，

所述步骤二包括：

根据预设的加速曲线得到目标角速度ω和目标角加速度α，并通过计算得到目标电流因子，根据目标电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的电流目标值；

根据实际角速度ω和实际角加速度α，通过计算得到实际电流因子，根据实际电流因子，结合电机角度数据，计算得到A、B相的实际目标值；

通过调整电机AB相电流，使得电机启动的实际加速曲线接近预设的加速曲线；

所述电流因子的计算公式为：

其中e(t)为单位时间内角速度的变化，

所述e(t)的计算公式为：

e(t)＝ωT-ω；

其中，ωT为预设加速曲线的角速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，所述步骤四与步骤一相同，对电机转轴在从静止到转动过程中经加速器加速后输出的角度变化动态进行采集和计算。

6.根据权利要求5所述的一种基于多圈反馈的步进电机调控方法，其特征在于，所述步骤五与步骤二相同，根据步骤四采集和计算的结果对电机进行调整。