CN111336241A - 一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法 - Google Patents

一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于减速器领域，公开了一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法，该控制系统包括：控制器、步进电机、减速器和编码器；其中，所述控制器的信号输出端与所述步进电机的控制端电连接，所述步进电机的输出轴与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴上设置有编码器，所述编码器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接。本发明的控制系统中，在减速器输出轴上设置编码器，并与控制器构成闭环控制系统，控制器采集编码器信息作为反馈，控制步进电机带动减速器到达目标角度，消除减速器旋转背隙导致的位置误差；该控制方法简单，能够实现自动化控制，操作简便。

Description

一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法
技术领域
本发明涉及减速器领域，具体涉及一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法。
背景技术
现有的减速器通常以齿轮的方式工作，即利用一个齿轮与另一个齿轮通过渐开线的方式咬合，通过齿数比达到减速的目的，由于齿轮之间是渐开线咬合传动，当齿轮的转动方向发生变化时，存在咬合间隙，无法实现无背隙传动，不能精确定位。
有一种装置，其通过电信号控制补偿脉冲的运转模式完全消除啮合间隙，两个电机同时启动，同时停止，两个电机同步运转，无论顺时针还是逆时针都将无背隙存在，达到零背隙传动。但是该技术其控制系统复杂，成本高，调试复杂，需要设计两个电机去消除背隙，设计和实现难度较大。
步进电机驱动器控制系统中，主要是开环控制，通过输入脉冲数控制电机带动减速机旋转，由于背隙的存在，输出轴位置控制容易受到干扰，精度不高。
因此，提供一种系统稳定、操控方便、抗干扰性强的微控制器闭环控制系统，通过绝对式编码器消除减速器旋转背隙实现高精度旋转角度，显得尤为必要。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统及方法，在减速器输出轴上设置编码器，并与控制器构成闭环控制系统，控制器采集编码器信息作为反馈，控制步进电机带动减速器到达目标角度，消除减速器旋转背隙导致的位置误差；该控制方法简单，能够实现自动化控制，操作简便。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统，包括：控制器、步进电机、减速器和编码器；其中，所述控制器的信号输出端与所述步进电机的控制端电连接，所述步进电机的输出轴与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴上设置有编码器，所述编码器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接。
作为优选的，所述控制器用于向所述步进电机输入设定脉冲信号，根据设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度；
所述步进电机用于驱动所述减速器；
所述编码器用于获取所述减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器；
所述控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
进一步优选的，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿；当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿。
作为优选的，所述控制器为微控制器。
作为优选的，所述步进电机的控制端为步进电机驱动器。
(二)一种消除减速器旋转背隙高精度控制方法，包括以下步骤：
步骤1，控制器向步进电机输入设定脉冲信号，根据所述设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度；
步骤2，步进电机根据控制器输入的脉冲信号驱动减速器的输出轴转动，减速器输出轴上的编码器实时获取减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器；
步骤3，控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
优选的，步骤3中，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿；当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿。
进一步优选的，步骤3中，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，将差值与步进电机的设定旋转角度进行求和，得到步进电机的实际旋转角度，并将步进电机的实际旋转角度对应的脉冲信号作为控制器向步进电机的实际输入脉冲信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的消除减速器旋转背隙高精度控制系统中，在原来步进电机输出轴高精度角度开环控制的基础上，在减速器的输出轴上加入减速器编码器，通过编码器获取减速机输出轴反馈的角度信息并发送给控制器，构成更精确的闭环控制，控制器根据获取步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度信息进行角度计算，通过GPIO端口输出定时器产生的控制信号，消除减速器机械限制导致的固有背隙角度误差，实现角度的精准控制，结构简单，实用性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的消除减速器旋转背隙高精度控制系统的结构示意图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的内容的实施例所提出的一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统，包括：控制器、步进电机、减速器和编码器；其中，所述控制器的信号输出端与所述步进电机的控制端电连接，所述步进电机的输出轴与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴上设置有编码器(减速器的输出轴上固定一个磁环，和固定编码器的底座相对应)，所述编码器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；其中，控制器为STM32微控制器(微控制器MCU，Microcontroller Unit)，步进电机的控制端步进电机驱动器。
进一步的，所述控制器用于向所述步进电机输入设定脉冲信号，根据设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度；所述步进电机用于驱动所述减速器；所述编码器用于获取所述减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器；所述控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
进一步的，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时(即减速器的两个齿轮转动的方向没有发生变化)，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿；当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时(减速器的两个齿轮转动的方向发生变化，此时会出现旋转背隙)，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿。
(二)一种消除减速器旋转背隙高精度控制方法，包括以下步骤：
步骤1，控制器向步进电机输入设定脉冲信号，根据所述设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度。
步骤2，步进电机根据控制器输入的脉冲信号驱动减速器的输出轴转动，减速器输出轴上的编码器实时获取减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器。
步骤3，控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
具体的，步骤3中，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿。
当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿；具体为：当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，将差值与步进电机的设定旋转角度进行求和，得到步进电机的实际旋转角度，并将步进电机的实际旋转角度对应的脉冲信号作为控制器向步进电机的实际输入脉冲信号。
本发明的消除减速器旋转背隙高精度控制系统的工作原理如下：
1、用步进电机的脉冲数控制步进电机角度粗对准。
当要控制步进电机驱动器驱动步进电机转到指定位置时，通过微控制器给步进电机驱动器输入设定脉冲信号，一个方波信号使步进电机转动一步。在设计中，需要能根据需求调整的频率和脉冲数量，采用微控制器内的STM32单片机内部定时器的功能，并通过主从两路定时器进行设定，一路主定时器利用PWM脉宽调制发出指定频率的方波脉冲；一路从定时器通过内部触发方式，记录主定时器发出的脉冲数，脉冲数达到设定角度的数量后，同时关闭两个定时器使能。如此，在设定好速度和角度后，将角度转换为步进电机控制需要的脉冲数，单片机定时器精确的控制输出方波信号的频率和数量，那么在不失步的情况下可以精确控制步进电机转过的角度，实现角度的粗对准。
在完成上述操作后，可以精确的控制步进电机的旋转角度，在使用时，步进电机的输出轴，通常配套衔接减速器使用。减速器由于机械结构限制，渐开线咬合传动，嵌套齿轮的间隙，使得减速机最后的输出轴，存在一定角度的背隙。当电机转动一个指定角度后，电机输出轴的角度很精确，由于背隙存在，但减速机输出轴的角度并不确定，存在和背隙大小有关的随机角度误差。
2、用编码器信息控制减速器角度精对准。
针对减速器的旋转背隙问题，在减速器的输出轴进行角度检测，在减速器的输出轴上设置编码器，用于获取减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息发送给控制器。在步进电机控制到达指定的粗对准角度后，给控制器反馈角度(反馈角度即编码器获取的减速器输出轴的旋转角度)构成闭环，进行粗对准位置下的精确位置补偿。
当微控制器的STM32单片机的从定时器记录到已经输出给步进电机的设定脉冲数，并转换成步进电机的设定旋转角度；利用编码器采集减速器输出轴的旋转角度并发送给控制器。控制器对得到的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度进行做差运算，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿。当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿，具体为：用步进电机的设定旋转角度减去减速器输出轴的旋转角度，得到的差值即为本次的旋转背隙角度，在步进电机的设定旋转角度的基础上加上本次的旋转背隙角度，即为步进电机最终控制的实际旋转角度，将步进电机的实际旋转角度对应的脉冲信号作为控制器向步进电机的实际输入脉冲信号，步进电机旋转补偿背隙的误差，校正减速器输出轴最终位置停在目标角度，消除减速器旋转背隙导致的位置误差。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种消除减速器旋转背隙高精度控制系统，其特征在于，包括：控制器、步进电机、减速器和编码器；其中，所述控制器的信号输出端与所述步进电机的控制端电连接，所述步进电机的输出轴与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴上设置有编码器，所述编码器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的消除减速器旋转背隙高精度控制系统，其特征在于，所述控制器用于向所述步进电机输入设定脉冲信号，根据设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度；
所述步进电机用于驱动所述减速器；
所述编码器用于获取所述减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器；
所述控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
3.根据权利要求2所述的消除减速器旋转背隙高精度控制系统，其特征在于，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿；当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿。
4.根据权利要求1所述的消除减速器旋转背隙高精度控制系统，其特征在于，所述控制器为微控制器。
5.根据权利要求1所述的消除减速器旋转背隙高精度控制系统，其特征在于，所述步进电机的控制端为步进电机驱动器。
6.一种消除减速器旋转背隙高精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，控制器向步进电机输入设定脉冲信号，根据所述设定脉冲信号控制所述步进电机的旋转角度；同时，所述控制器内的定时器实时记录发送给步进电机的设定脉冲信号并转换成步进电机的设定旋转角度；
步骤2，步进电机根据控制器输入的脉冲信号驱动减速器的输出轴转动，减速器输出轴上的编码器实时获取减速器输出轴的旋转角度，并将获取的减速器输出轴的旋转角度信息传递给控制器；
步骤3，控制器根据获取的步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度，判断是否对所述步进电机进行脉冲补偿。
7.根据权利要求6所述的消除减速器旋转背隙高精度控制方法，其特征在于，步骤3中，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值为零时，控制器无需对所述步进电机进行脉冲补偿；当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，控制器对所述步进电机进行脉冲补偿。
8.根据权利要求7所述的消除减速器旋转背隙高精度控制方法，其特征在于，步骤3中，当步进电机的设定旋转角度和减速器输出轴的旋转角度的差值不为零时，将差值与步进电机的设定旋转角度进行求和，得到步进电机的实际旋转角度，并将步进电机的实际旋转角度对应的脉冲信号作为控制器向步进电机的实际输入脉冲信号。
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