CN110635659A - 一种带多圈反馈的驱动一体步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带多圈反馈的驱动一体步进电机，包括电机主体和安装在电机主体内的旋转轴承，还包括电路控制板、齿轮组和磁角度传感器组，所述齿轮组安装在旋转轴承的尾部，齿轮组的外侧的中心处安装有磁铁，磁角度传感器组分别对应对各磁铁设置，电路控制板分别与磁角度传感器组和电机信号连接。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°。

Description

一种带多圈反馈的驱动一体步进电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体指一种带多圈反馈的驱动一体步进电机。

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，提出一种带多圈反馈的驱动一体步进电机，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：

一种带多圈反馈的驱动一体步进电机，包括电机主体和安装在电机主体内的旋转轴承，还包括电路控制板、齿轮组和磁角度传感器组，所述齿轮组安装在旋转轴承的尾部，所述齿轮组的外侧的中心处安装有磁铁，所述磁角度传感器组分别对应对各磁铁设置，所述电路控制板分别与磁角度传感器组和电机信号连接。

作为优选，所述齿轮组包括两个齿轮，两个所述齿轮分别为主动齿轮、从动齿轮，所述主动齿轮安装在旋转轴承的尾部，所述从动齿轮与主动齿轮相啮合，所述主动齿轮和从动齿轮的外表面中心处均设置有磁铁，所述磁角端传感器包括第一磁角度传感器和第二磁角端传感器，所述电路控制板分别第一磁角度传感器、第二磁角度传感器、电机信号连接。

作为优选，所述电路控制板包括MCU控制器、驱动电路和电流采样电路，所述MCU控制器上设置有磁传感器接口、通讯单元、信号输出端和信号输出端，所述磁传感器接口分别与第一磁角度传感器、第二磁角度传感器信号连接，所述信号输出端输出信号至驱动电路，所述信号输入端接收电流采样电路的检测信号，所述通讯单元信号连接至控制接口。

作为优选，所述信号输出端输出信号为PWM，所述信号输入端接收的信号为ADC。

作为优选，所述驱动电路通过驱动线束与电机相连接。

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。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中控制面板的原理图。

图中，1-旋转轴承、2-电机主体、3-驱动线束、4-第一磁角度传感器、5-电路控制板、6-第二磁角度传感器、7-控制接口、8-主动齿轮、9-磁铁、10-从动齿轮、501-驱动电路、502-电流采样电路、503-信号输出端、504-信号输入端、505-MCU控制器、506-通讯单元、507-磁传感器接口。

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为基于附图所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。

实施例1

本发明提供了一种带多圈反馈的驱动一体步进电机，如图1和图2所示，包括电机主体2和安装在电机主体2内的旋转轴承1，还包括电路控制板5、齿轮组和磁角度传感器组，所述齿轮组安装在旋转轴承1的尾部，所述齿轮组的外侧的中心处安装有磁铁9，所述磁角度传感器组分别对应对各磁铁9设置，所述电路控制板5分别与磁角度传感器组和电机信号连接。

进一步的，所述电路控制板包括MCU控制器505、驱动电路501和电流采样电路502，所述MCU控制器505上设置有磁传感器接口507、通讯单元506、信号输出端503和信号输出端504，所述磁传感器接口507分别与第一磁角度传感器4、第二磁角度传感器6信号连接，所述信号输出端503输出信号至驱动电路501，所述信号输入端504接收电流采样电路502的检测信号，所述通讯单元506信号连接至控制接口8。

其中，所述信号输出端503输出信号为PWM，所述信号输入端504接收的信号为ADC。所述驱动电路501通过驱动线束3与电机相连接。

上述技术方案中，磁传感器接口用于接收磁角度传感器组采集到的数据，MCU控制器对采集的数据进行计算和分析，从而通过信号输出端输出PWM信号至驱动电路，进而驱动电路根据PWM信号控制电机的运行；同时电流采集电路采集电流数据并发送至MCU控制器，MCU控制器对采集的数据进行计算和分析，从而通过信号输出端输出PWM信号至驱动电路，进而驱动电路根据PWM信号控制电机的运行。

另外，通讯单元与控制接口相配合与外接用户进行交互。

上述技术方案中，采用角速度闭环和电流闭环的双闭环结构，从而实现高精度的运行控制。

具体如下：

角速度闭环：用户通过通讯接口发送运行指令后，MCU控制器505输出PWM至驱动电路501，控制电机从静止开始转动。随后，MCU控制器505不停通过磁传感器接口507从第一磁角度传感器4读取角度数据，根据内部定时器(t)和角度数据计算出电机的角速度ω和角加速度α，与MCU控制器5055内部预设的加速曲线比较，动态的改变PWM值来分别调整电机AB相电流，控制其以最接近预设曲线运行。

ω＝(ωb-ωa)/(tb-ta)；

α＝dω/dt；

e(t)＝ωT-ω；ωT：预设的目标角速度

根据单位时间的角速度变化来计算目标电流因子。

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。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述齿轮组包括两个齿轮，两个所述齿轮分别为主动齿轮8、从动齿轮9，所述主动齿轮8安装在旋转轴承1的尾部，所述从动齿轮9与主动齿轮8相啮合，所述主动齿轮8和从动齿轮9的外侧中心处均设置有磁铁9，所述磁角端传感器包括第一磁角度传感器4和第二磁角端传感器6，所述电路控制板5分别第一磁角度传感器4、第二磁角度传感器6、电机信号连接。

可以理解的，齿轮组的比例可根据不同的系统进行调整。

可以理解的，从动齿轮9可设置多个，磁铁安装在主动齿轮8和传动至最后的一个从动齿轮9上。

多圈绝对值角度闭环：

绝对角度闭环利用第一磁角度传感器4和第二磁角度传感器5联合应用实现。

MCU控制器505读取第一磁角度传感器4和第二磁角度传感器5。第一磁角度传感器4为单圈内的高精度角度数据，第二磁角度传感器5为多圈的低精度大角度数据。利用第二磁角度传感器5数据得到相对圈数，利用第一磁角度传感器4修正，合并得到高精度的多圈传感器数据。经过校正的单个磁角度传感器可以获得0.022°分辨率，2个磁角度传感器联合，除去机械齿轮误差影响，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。

以上结合附图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 (5)

1.一种带多圈反馈的驱动一体步进电机，包括电机主体和安装在电机主体内的旋转轴承，其特征在于，还包括电路控制板、齿轮组和磁角度传感器组，所述齿轮组安装在旋转轴承的尾部，所述齿轮组的外侧的中心处安装有磁铁，所述磁角度传感器组分别对应对各磁铁设置，所述电路控制板分别与磁角度传感器组和电机信号连接。

2.根据权利要求1所述的带多圈反馈的驱动一体步进电机，其特征在于，所述齿轮组包括两个齿轮，两个所述齿轮分别为主动齿轮、从动齿轮，所述主动齿轮安装在旋转轴承的尾部，所述从动齿轮与主动齿轮相啮合，所述主动齿轮和从动齿轮的外表面中心处均设置有磁铁，所述磁角端传感器包括第一磁角度传感器和第二磁角端传感器，所述电路控制板分别第一磁角度传感器、第二磁角度传感器、电机信号连接。

3.根据权利要求2所述的带多圈反馈的驱动一体步进电机，其特征在于，所述电路控制板包括MCU控制器、驱动电路和电流采样电路，所述MCU控制器上设置有磁传感器接口、通讯单元、信号输出端和信号输出端，所述磁传感器接口分别与第一磁角度传感器、第二磁角度传感器信号连接，所述信号输出端输出信号至驱动电路，所述信号输入端接收电流采样电路的检测信号，所述通讯单元信号连接至控制接口。

4.根据权利要求3所述的带多圈反馈的驱动一体步进电机，其特征在于，所述信号输出端输出信号为PWM，所述信号输入端接收的信号为ADC。

5.根据权利要求3所述的带多圈反馈的驱动一体步进电机，其特征在于，所述驱动电路通过驱动线束与电机相连接。

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