CN116015141A - 一种步进电机位置闭环控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进电机位置闭环控制系统及方法，属于步进电机控制技术领域，特别涉及一种为实现位置跟踪系统的闭环动态控制方法，以及用于实现该方法的基于嵌入式开发的步进电机位置控制系统。本发明的梯形分段控制和分段位置式PID控制针对不同情况下运动的特点，通过动态参数来修改控制策略，这种非线性控制极大地保证了位置过渡的稳定性、快速性。电机的半步控制使得电流矢量可以平滑地得到电机的扭矩，降低了电机绕组电流变化时产生的噪声，缓解了电机低俗状态下的谐振现象。细分使得控制精度显著提升，电机每步的细分数越多，控制精度越高，通过目标细分数的补偿克服了外部原因引起的控制周期时间不确定的问题。

Description

一种步进电机位置闭环控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种步进电机位置闭环控制系统及方法，属于步进电机控制技术领域，特别涉及一种为实现位置跟踪系统的闭环动态控制方法，以及用于实现该方法的基于嵌入式开发的步进电机位置控制系统。

背景技术

在步进电机控制系统中，为了能够实现对电机位置的控制，往往采用开环控制，只要保证步进电动机在应用时的扭矩和速度不超过性能要求，就可以使用开环控制器对步进电机的保持位置进行控制，而无需反馈系统。然而，步进电机开环控制容易受到外部干扰，一旦出现误差，无法补偿，就会出现丢步，此外，步进电机开环控制容易引发低频共振，电机低速运行时振动噪音较大。开环使得控制器不能及时进行调整，进而导致控制效果不理想，如果想要进一步提升步进电机的控制精度，必须引入闭环控制方法。与开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优势。在闭环控制系统中，无论是外部故障或内部系统出现偏差，如果控制量偏离指定值，都会产生相应的控制效果以消除偏差。因此，闭环控制可以抑制干扰，对部件特性的变化不敏感，并且可以改善系统的响应特性。

目前的闭环控制系统，在硬件上有许多使用DSP或FPGA作为主控芯片，在软件上多使用单闭环控制系统，即仅对速度或位置进行单闭环控制。其优点为硬件成本较低，鲁棒性更好，但存在编程复杂、通用性差、控制器体积过大等问题，在目前模块化、集成化的时代趋势面前，逐渐不能满足应用场景的需求。因此，开发设计一款集成度高、且易于维护升级的步进电机驱动系统，使用位置速度双闭环控制，实现步进电机位置的调控，进一步提高控制精度，控制速度及平稳度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种步进电机位置闭环控制系统及方法，用以解决步进电机位置跟踪控制问题，实现在最大速度范围内、任意位置的步进电机控制，提高位置控制的精度和稳定性。

本发明的技术解决方案是：

一种步进电机位置闭环控制系统，该闭环控制系统包括上位机、控制任务处理模块、位置跟踪模块、电机驱动模块和磁编码器模块；

所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入控制目标；

控制目标包括角度位置θ₀(rad)、加速最大角速度ω₀(/)以及角加速度2

α(/)；

所述的控制任务处理模块用于接收上位机输出的控制目标，并对接收到的控制目标进行解算，然后将解算结果输出给位置跟踪模块；

对接收到的控制目标进行解算的方法是指将上位机输入的角度位置

最大角速度

以及角加速度

数据转换为相应的细分数，具体为：设步进电机的步数为n，对每步进行m细分，则相应的角度位置、角速度与角加速度的细分数分别为

设β＝n/2π，即解算结果为

所述的位置跟踪模块用于接收控制任务处理模块输出的解算结果，还用于接收磁编码器数据补偿模块输出的补偿位置信息和补偿速度信息，并根据接收到的解算结果、补偿位置信息和补偿速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块；

进行位置解算时采用分段位置式PID策略，对传统的位置式PID控制算法进行了改进，提出了一种微步的、动态参数的步进电机位置控制算法，步骤如下：

步骤S1：获取步进电机目标角度位置θ₀、最大速度ω₀、加速度α；

步骤S2：获取当前步进电机的实时位置θ_i和实时速度ω_i；

步骤S3：计算目标位置与实时位置的差值Δθ_i，将差值Δθ_i与预设的步进电机位置回归距离θ_d进行比较，若Δθ_i＞θ_d，进入步骤S4，若Δθ_i≤θ_d进入步骤S5；

步骤S4：则使用梯形分段策略确定此差值对应的速度控制方法。梯形分段控制包含三个模式：加速模式、匀速模式、减速模式，计算以ω₀为初速度，α为加速度，末速度为0的匀变速运动的角位移量θ_a，根据Δθ_i与ω_i判断工作模式：若Δθ_i＞θ₀-θ_a且ω_i＜ω₀，则电机模式为匀加速模式，以恒定加速度α进行加速；若Δθ_i＞θ₀-θ_a且ω_i＝ω₀，则电机模式为匀速模式，以恒定速度ω₀运动；若θ_d＜Δθ_i≤θ₀-θ_a，则电机模式为匀减速模式，以恒定加速度α进行减速；

步骤S5：使用分段位置式PID策略，使电机位置迅速回归至目标位置；

步骤S6：将控制量以参考电压的形式输出到两相步进电机的驱动芯片，并由输入电压的正负控制电机的转动方向；

步骤S7：重复步骤S2～S6，使得电机实时位置不断趋近于目标位置。

优选的，所述步骤S1中设定的加速度，不能超过电机本身特性所决定的最大加速度；

优选的，所述步骤S2中Δθ_i≤θ_d也可替换为实时速度ω_i小于某一设定速度值ω_s。

优选的，所述步骤S5中分段位置式PID策略输出的控制量I_OUT公式如下：

其中，θ₀为电机目标位置，θ_s为预设的位置误差临界值，K_P、K_I、K_D为PID控制参数；

所述的电机驱动模块用于接收位置跟踪模块输出的相电流控制信号，并根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

所述的步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

所述的磁编码器模块用于接收步进电机输出的原始位置信息，根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，并将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块；

进行位置补偿和速度补偿的具体方法为：

目标位置细分数补偿值D_p计算公式如下：

补偿位置为

其中

为原始位置信息；

补偿速度由补偿后的位置计算得到ω_i＝(θ_i-θ_i-1)/ΔT，其中ΔT为控制程序的运行频率。

一种步进电机位置闭环控制方法，该方法的步骤包括：

步骤S1，上位机通过串口或CAN总线输入目标位置、目标速递以及目标加速度给控制任务处理模块；

步骤S2，控制任务处理模块对接收到的控制目标进行预处理，将弧度制单位转化为步进电机细分数，然后将处理结果输出给位置跟踪模块；

步骤S3，磁编码器模块采集步进电机的初始位置信息，并根据采集的初始位置信息计算初始速度信息，然后将初始位置信息和初始速度信息输出给位置跟踪模块；

步骤S4，位置跟踪模块根据接收到的处理后的控制目标、初始位置信息和初始速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块，使用分段式PID控制算法，进行位置跟踪；

步骤S5，电机驱动模块根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

步骤S6，步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

步骤S7，磁编码器模块根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块。

重复步骤S4-步骤S7，直至接收到上位机通过串口或CAN总线输入新的控制目标给控制任务处理模块。

本发明所提供的位置跟踪控制方法与现有技术相比，显著优点为：

(1)梯形分段控制和分段位置式PID控制针对不同情况下运动的特点，通过动态参数来修改控制策略，这种非线性控制极大地保证了位置过渡的稳定性、快速性。

(2)电机的半步控制使得电流矢量可以平滑地得到电机的扭矩，降低了电机绕组电流变化时产生的噪声，缓解了电机低俗状态下的谐振现象。

(3)细分使得控制精度显著提升，电机每步的细分数越多，控制精度越高，通过目标细分数的补偿克服了外部原因引起的控制周期时间不确定的问题。

(4)本发明针对直流步进电机位置控制的问题，基于嵌入式平台自主开发了一套步进电机位置控制系统，包括硬件电路设计和软件算法。本发明中的硬件电路适配市面上多数直流步进电机。针对步进电机在位置控制时的速度和精度的要求，提出了梯形分段控制和分段位置式PID结合的控制策略。本方法在确保位置控制精度的前提下，极大地提高了步进电机位置过渡的平稳性和快速性，确保最终的实际位置无限趋近于目标位置，具有很好的准确性、快速性和鲁棒性，可广泛应用于直流步进电机位置跟踪。

附图说明

图1为本发明的闭环控制系统组成示意图。

具体实施方式

为了将本申请的目的、技术方案及优点进行更清楚、完整的描述，下面将结合附图及实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种步进电机位置闭环控制系统，该闭环控制系统包括上位机、控制任务处理模块、位置跟踪模块、电机驱动模块和磁编码器模块；

所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入控制目标；

控制目标包括角度位置θ₀(rad)、加速最大角速度ω₀(/)以及角加速度2

α(/)；

所述的控制任务处理模块用于接收上位机输出的控制目标，并对接收到的控制目标进行解算，然后将解算结果输出给位置跟踪模块；

对接收到的控制目标进行解算的方法是指将上位机输入的角度位置

最大角速度

以及角加速度

数据转换为相应的细分数，具体为：设步进电机的步数为n，对每步进行m细分，则相应的角度位置、角速度与角加速度的细分数分别为

设β＝n/2π，即解算结果为

所述的位置跟踪模块用于接收控制任务处理模块输出的解算结果，还用于接收磁编码器数据补偿模块输出的补偿位置信息和补偿速度信息，并根据接收到的解算结果、补偿位置信息和补偿速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块；

进行位置解算时采用分段位置式PID策略，对传统的位置式PID控制算法进行了改进，提出了一种微步的、动态参数的步进电机位置控制算法，步骤如下：

步骤S1：获取步进电机目标角度位置θ₀、最大速度ω₀、加速度α；

步骤S2：获取当前步进电机的实时位置θ_i和实时速度ω_i；

步骤S3：计算目标位置与实时位置的差值Δθ_i，将差值Δθ_i与预设的步进电机位置回归距离θ_d进行比较，若Δθ_i>θ_d，进入步骤S4，若Δθ_i≤θ_d进入步骤S5；

步骤S4：则使用梯形分段策略确定此差值对应的速度控制方法。梯形分段控制包含三个模式：加速模式、匀速模式、减速模式，计算以ω₀为初速度，α为加速度，末速度为0的匀变速运动的角位移量θ_a，根据Δθ_i与ω_i判断工作模式：若Δθ_i>θ₀-θ_a且ω_i<ω₀，则电机模式为匀加速模式，以恒定加速度α进行加速；若Δθ_i>θ₀-θ_a且ω_i＝ω₀，则电机模式为匀速模式，以恒定速度ω₀运动；若θ_d<Δθ_i≤θ₀-θ_a，则电机模式为匀减速模式，以恒定加速度α进行减速；

步骤S5：使用分段位置式PID策略，使电机位置迅速回归至目标位置；

步骤S6：将控制量以参考电压的形式输出到两相步进电机的驱动芯片，并由输入电压的正负控制电机的转动方向；

步骤S7：重复步骤S2～S6，使得电机实时位置不断趋近于目标位置。

优选的，所述步骤S1中设定的加速度，不能超过电机本身特性所决定的最大加速度；

优选的，所述步骤S2中Δθ_i≤θ_d也可替换为实时速度ω_i小于某一设定速度值ω_s。

优选的，所述步骤S5中分段位置式PID策略输出的控制量I_OUT公式如下：

其中，θ₀为电机目标位置，θ_s为预设的位置误差临界值；

所述的电机驱动模块用于接收位置跟踪模块输出的相电流控制信号，并根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

所述的步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

所述的磁编码器模块用于接收步进电机输出的原始位置信息，根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，并将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块；

进行位置补偿和速度补偿的具体方法为：

目标位置细分数补偿值D_p计算公式如下：

补偿位置为

其中

为原始位置信息；

补偿速度由补偿后的位置计算得到ω_i＝(θ_i-θ_i-1)/ΔT，其中ΔT为控制程序的运行频率。

一种步进电机位置闭环控制方法，该方法的步骤包括：

步骤S1，上位机通过串口或CAN总线输入目标位置、目标速递以及目标加速度给控制任务处理模块；

步骤S2，控制任务处理模块对接收到的控制目标进行预处理，将弧度制单位转化为步进电机细分数，然后将处理结果输出给位置跟踪模块；

步骤S3，磁编码器模块采集步进电机的初始位置信息，并根据采集的初始位置信息计算初始速度信息，然后将初始位置信息和初始速度信息输出给位置跟踪模块；

步骤S4，位置跟踪模块根据接收到的处理后的控制目标、初始位置信息和初始速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块，使用分段式PID控制算法，进行位置跟踪；

步骤S5，电机驱动模块根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

步骤S6，步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

步骤S7，磁编码器模块根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块。

重复步骤S4-步骤S7，直至接收到上位机通过串口或CAN总线输入新的控制目标给控制任务处理模块。

实施例

本发明的位置控制分为系统准备、位置闭环控制两部分：

系统准备首先要对步进电机的磁编码器进行校准，由于步进电机驱动板在安装过程中存在安装误差，为保证电机运行精度，在电机第一次进行上电时，需要进行磁编码器的校准。此外，还要完成系统初始化工作，启动各个模块功能，并对各个模块进行参数配置，基于FreeRTOS操作系统创建双核多线程任务，对各个任务进行资源分配。

位置闭环控制分为两部分，一是实时数据采集，二是分段控制器。实时数据采集阶段使用传感器实时反馈电机位置和转速。分段控制器中有两个阶段：梯形分段控制阶段和分段位置式PID控制阶段。若电机初始静止，包含四个运动时期：匀加速期、匀速期、匀减速期、回归期。前三个时期属于梯形分段控制，而回归期即使用分段位置式PID控制。设α为电机位置跟踪器设定加速度，ω₀为位置控制中设定的最大速度，则电机初始位置0与目标位置θ₀的距离θ₀：

θ₀＝∫ω_idt＝θ_a+θ_b+θ_c+θ_d

其中，θ_a为加速期角位移，θ_b为匀速期角位移，θ_c为减速期角位移，θ_d为回归期角位移。

由下式计算位置量θ_a：

由磁编码器获取电机当前位置θ_i和速度ω_i，电机当前位置θ_i与目标位置θ₀的距离为Δθ_i，ω_s为预设的误差临界值，根据Δθ_i与ω_i判断工作模式：

若Δθ_i＞θ₀-θ_a且ω_i＜ω₀，则电机处于匀加速期，以恒定加速度α进行加速；

若Δθ_i>θ₀-θ_a且ω_i＝ω₀，则电机处于匀速期，以恒定速度ω₀运动；

若Δθ_i≤θ₀-θ_a且ω_i>ω_s，则电机处于匀减速期，以恒定加速度α进行减速；

若Δθ_i≤θ₀-θ_a且ω_i≤ω_s，则电机处于回归期，采用分段位置式PID控制算法，在偏差值较大时只有比例项，当偏差值小于某一阈值时增加积分项和微分项。要求步进电机的闭环位置控制必须快速、稳定、准确。在本时期对电机进行驱动控制时，由于此时电机速度较小，误差值也比较小，因此不对电机细分数进行补偿。

最后，由对应时期的控制量输出到两相步进电机驱动芯片的参考电压，从而改变输出电流，并控制转速和位置的变化；位置跟踪控制的思想是将目标位置分步实现，由此保证步进电机位置的可控性，实现位置的平稳过渡。

在电机控制策略方面，开环控制控制精度低，控制误差大，若想提高控制精度，减小控制误差，就要采用闭环控制，若只采用传统的PID控制算法，当误差值比较大时，或大幅度增减目标值时，短时间内会造成系统有特别大的偏差，因此，先对步进电机进行梯形分段控制，使步进电机的位置接近目标位置，再使用分段位置式PID控制算法精细化控制，才能精确、稳定的实现位置控制。PID分段是为防止偏差较大造成的积分积累，积分累积会导致输出量特别大，很容易导致超调，甚至会引起系统较大的震荡，积分项的作用是消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。而微分项的作用是克服干扰，如果控制过程受到外部干扰，微分具有减小过程变量与设定点的最大偏差的作用，具有微分的PID控制回路与仅具有PI控制的回路相比，能够以较小的偏差从干扰中更快恢复。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

该闭环控制系统包括上位机、控制任务处理模块、位置跟踪模块、电机驱动模块和磁编码器模块；

所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入控制目标；

所述的控制任务处理模块用于接收上位机输出的控制目标，并对接收到的控制目标进行解算，然后将解算结果输出给位置跟踪模块；

所述的位置跟踪模块用于接收控制任务处理模块输出的解算结果，还用于接收磁编码器数据补偿模块输出的补偿位置信息和补偿速度信息，并根据接收到的解算结果、补偿位置信息和补偿速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块；

所述的电机驱动模块用于接收位置跟踪模块输出的相电流控制信号，并根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

所述的步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

所述的磁编码器模块用于接收步进电机输出的原始位置信息，根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，并将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块。

2.根据权利要求1所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入的控制目标包括角度位置θ₀、加速最大角速度ω₀以及角加速度α。

3.根据权利要求2所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

所述的控制任务处理模块对接收到的控制目标进行解算的方法是指将上位机输入的角度位置

最大角速度

以及角加速度

数据转换为相应的细分数，具体为：设步进电机的步数为n，对每步进行m细分，则相应的角度位置、角速度与角加速度的细分数分别为

设β＝mn/2π，即解算结果为

4.根据权利要求1-3任一所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

所述的位置跟踪模块进行位置解算的方法步骤包括：

步骤S1：获取步进电机目标角度位置θ₀、最大速度ω₀、加速度α；

步骤S2：获取当前步进电机的实时位置θ_i和实时速度ω_i；

步骤S3：计算目标位置与实时位置的差值Δθ_i，将差值Δθ_i与预设的步进电机位置回归距离θ_d进行比较，若Δθ_i>θ_d，进入步骤S4，若Δθ_i≤θ_d进入步骤S5；

步骤S4：使用梯形分段策略确定此差值对应的速度控制方法，梯形分段控制包含三个模式：加速模式、匀速模式、减速模式，计算以ω₀为初速度，α为加速度，末速度为0的匀变速运动的角位移量θ_a，根据Δθ_i与ω_i判断工作模式：若Δθ_i>θ₀-θ_a且ω_i<ω₀，则电机模式为匀加速模式，以恒定加速度α进行加速；若Δθ_i>θ₀-θ_a且ω_i＝ω₀，则电机模式为匀速模式，以恒定速度ω₀运动；若θ_d<Δθ_i≤θ₀-θ_a，则电机模式为匀减速模式，以恒定加速度α进行减速；

步骤S5：使用分段位置式PID策略输出控制量；

步骤S6：将步骤S5得到的控制量以参考电压的形式输出到两相步进电机的驱动芯片，并由输入电压的正负控制电机的转动方向；

步骤S7：重复步骤S2～S6，使得电机实时位置不断趋近于目标位置。

5.根据权利要求4所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

所述步骤S5中，分段位置式PID策略输出的控制量I_OUT公式如下：

其中，θ₀为电机目标位置，θ_s为预设的位置误差临界值，K_P、K_I、K_D为PID控制参数。

6.根据权利要求5所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

所述的磁编码器模块进行位置补偿时的补偿值D_p计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

补偿后的位置为

其中

为原始位置信息。

8.根据权利要求6或7所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：

补偿后的速度由补偿后的位置计算得到ω_i＝(θ_i-θ_i-1)/ΔT，其中ΔT为控制程序的运行频率。

9.一种步进电机位置闭环控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤S1，上位机通过串口或CAN总线输入目标位置、目标速度以及目标加速度给控制任务处理模块；

步骤S2，控制任务处理模块对接收到的控制目标进行预处理，将弧度制单位转化为步进电机细分数，然后将处理结果输出给位置跟踪模块；

步骤S3，磁编码器模块采集步进电机的初始位置信息，并根据采集的初始位置信息计算初始速度信息，然后将初始位置信息和初始速度信息输出给位置跟踪模块；

步骤S4，位置跟踪模块根据接收到的处理后的控制目标、初始位置信息和初始速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块，使用分段式PID控制算法，进行位置跟踪；

步骤S5，电机驱动模块根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；

步骤S6，步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；

步骤S7，磁编码器模块根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块。

10.根据权利要求9所述的一种步进电机位置闭环控制方法，其特征在于：

重复步骤S4-步骤S7，直至接收到上位机通过串口或CAN总线输入新的控制目标给控制任务处理模块。

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