CN117559851A - 扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统及其标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统及其标定方法，方法为：S1：搭建扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统；S2：根据预设目标精度及扫描步进电机性能参数，确定细分数、第一和第二脉宽调制参数；S3：根据编码器采集的空间角更新第一和第二脉宽调制参数，完成所述扫描步进电机在地面的细分标定；S4：根据编码器采集的空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，直至扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步与细分数相同，完成航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定。本发明能够提升扫描步进电机的在轨运动定位及指向精度和速度均匀性。

Description

扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统及其标定方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统及其标定方法。
背景技术
步进电机因具有体积小、重量低、功率低、成本少、无误差积累等优势，在航天领域有着广泛的应用。传统的地面步进电机的标定因受到重力、偏心力矩及电缆拉力等诸多干扰因素的影响，使得在轨运动精度及速度均匀性与地面标定结果存在差异。传统的细分控制方法通常是给两相绕组通以相位差恒定的电流，使其合成电流幅值恒定、相位均匀变化的方向矢量。以两相混合式步进电机的细分控制方法为例，当步进电机的步距角为β度，为了满足低速摆扫精度及速度均匀性要求，通常采用n细分控制方法将单步走角度细分为β/n度。然而，受限于步进电机设计的步距角较大，在高精度、低速摆扫时，速度均匀性和摆扫精度无法始终保持稳定，因此，地面人工标定不仅时间成本高、标定精度无法保证稳定，且无法模拟在轨运行电机受力状态，标定结果与在轨运行时差异较大。
发明内容
本发明为解决现有的步进电机的细分标定方法因在地面与在轨的标定存在差异性，导致步进电机的精度易受损伤的问题，提供一种航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统及其标定方法，采用地面标定与在轨自适应标定结合的方式，消除多种干扰因素对扫描步进电机的细分参数标定的影响，进而提升扫描步进电机的在轨运动精度和速度均匀性。
本发明提出的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统，用于对扫描步进电机的细分步和细分角进行自适应细分标定，包括主控CPU模块、FPGA模块和编码器，FPGA模块包括细分控制参数寄存器，其中，主控CPU模块用于向FPGA模块输送第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，FPGA模块用于根据第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数更新细分控制参数寄存器，并通过细分控制参数寄存器向扫描步进电机输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，扫描步进电机根据更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数进行走，编码器用于采集扫描步进电机走的空间角，并将空间角反馈至主控CPU模块，主控CPU模块判断空间角是否满足预设目标精度，并根据空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数。
本发明提出的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，利用扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统实现，具体包括如下步骤：
S1：搭建扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统；
S2：根据预设目标精度及扫描步进电机的性能参数，确定细分数、第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，使扫描步进电机的两相电流的矢量和的幅值恒定：
（1）；
其中，m为扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步数，为第m细分步的第一脉宽调制参数，/>为第m细分步的第二脉宽调制参数，IAm为扫描步进电机的电机A相的平均电流幅值，IBm为扫描步进电机的电机B相的平均电流幅值，/>为电机A相的电压，/>为电机B相的电压，/>为电机A相的绕组阻值，/>为电机B相的绕组阻值；
S3：根据编码器采集的空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，直至扫描步进电机的单步精度满足预设目标精度，完成扫描步进电机在地面的细分标定；
S4：根据编码器采集的空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，直至扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步与细分数相同，完成航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定。
优选地，步骤S3具体包括如下步骤：
S31：通过下式判断扫描步进电机在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差是否满足预设的精度评判公式，精度评判公式：
（2）；
其中，为扫描步进电机在单步距角内走过第m细分步所对应的空间角，n为细分数，/>为扫描步进电机的单步距角，/>为预设目标精度；
S32：若扫描步进电机在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差均满足精度评判公式，完成扫描步进电机在地面的细分标定，执行步骤S4，否则执行步骤S33；
S33：若扫描步进电机所走的单细分步角度大于理想单细分步角度的1.1倍，则将第一脉宽调制参数Pm向Pm-1调整，将第二脉宽调制参数Qm向Qm+1调整，否则执行步骤S34；
S34：若扫描步进电机所走的单细分步角度小于理想单细分步角度的0.9倍，则将第一脉宽调制参数Pm向Pm+1调整，将第二脉宽调制参数Qm向Qm-1调整，否则执行步骤S31。
优选地，理想单细分步角度g：
g=β/n（3）。
优选地，步骤S4具体包括如下步骤：
S41：控制扫描步进电机在单步距角内正转一步，判断扫描步进电机在单步距角内所走的细分步角度是否满足精度评判公式，若满足则执行步骤S42，否则执行步骤S43；
S42：判断扫描步进电机在单步距角内所走的细分步是否与细分数相同，若相同则完成航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定，否则执行步骤S41；
S43：根据下式的判断结果更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数：
（4）；
S431：若判断结果满足式（4），则通过下式更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，否则执行步骤S432：
（5）；
S432：通过下式更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数：
（6）；
S433： 控制扫描步进电机在单步距角内反转一步，主控CPU模块重新向FPGA模块输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，重复步骤S41-S432，直至扫描步进电机在单步距角内所走的细分步角度满足精度评判公式或迭代次数满足10次，重新执行步骤S41。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
（1）本发明采用了地面标定与在轨自适应标定相结合的方式，消除了多种干扰因素对扫描步进电机的细分参数标定的影响，进而提升了扫描步进电机的在轨运动精度和速度均匀性。
（2）本发明提升了扫描步进电机的在轨工作的速度均匀性和扫描定位指向精度，降低了用于航天的扫描步进电机的设计成本，且提升了摆扫成像的图像像质。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法的流程示意图。
附图标记：主控CPU模块1、FPGA模块2、扫描步进电机3和编码器4。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明实施例提出的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统，用于对扫描步进电机的细分步和细分角进行自适应细分标定。
图1示出了根据本发明实施例提供的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提出的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统，用于对扫描步进电机3的细分步和细分角进行自适应细分标定，包括主控CPU模块1、FPGA模块2和编码器4，FPGA模块2包括细分控制参数寄存器，其中，主控CPU模块1用于向FPGA模块2输送第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，FPGA模块2用于根据第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数更新细分控制参数寄存器，并通过细分控制参数寄存器向扫描步进电机3输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，扫描步进电机3根据更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数进行走，编码器4用于采集扫描步进电机3走的空间角，并将空间角反馈至主控CPU模块1，主控CPU模块1判断空间角是否满足预设目标精度，并根据空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数。
扫描步进电机3在地面标定的细分控制参数，往往会受到重力、偏心力矩以及电缆拉力等诸多方面的影响，因此，当扫描步进电机3在轨运行时，扫描步进电机3的电机转子在单步距角内所走的实际空间角与在地面标定时所走的空间角存在较大差异。因此，扫描步进电机3在轨运行时，需要在地面标定细分参数的基础上，本发明实施例通过主控CPU模块1进行自适应反馈调节，并利用FPGA模块2实现扫描步进电机3的脉宽调制参数的重注。
图2示出了根据本发明实施例提供的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提出的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，利用扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统实现，具体包括如下步骤：
S1：搭建扫描步进电机3的在轨自适应细分标定系统。
S2：根据预设目标精度及扫描步进电机3的性能参数，确定细分数、第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，使扫描步进电机3的两相电流的矢量和的幅值恒定：
（1）；
其中，m为扫描步进电机3在单步距角内所走过的细分步数，为第m细分步的第一脉宽调制参数，/>为第m细分步的第二脉宽调制参数，IAm为扫描步进电机3的电机A相的平均电流幅值，IBm为扫描步进电机3的电机B相的平均电流幅值，/>为电机A相的电压，/>为电机B相的电压，/>为电机A相的绕组阻值，/>为电机B相的绕组阻值。
S3：根据编码器4采集的空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，直至扫描步进电机3的单步精度满足预设目标精度，完成扫描步进电机3在地面的细分标定。
步骤S3具体包括如下步骤：
S31：通过下式判断扫描步进电机3在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差是否满足预设的精度评判公式，精度评判公式：
（2）；
其中，为扫描步进电机3在单步距角内走过第m细分步所对应的空间角，n为细分数，/>为扫描步进电机3的单步距角，/>为预设目标精度；
S32：若扫描步进电机3在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差均满足精度评判公式，完成扫描步进电机3在地面的细分标定，执行步骤S4，否则执行步骤S33；
S33：若扫描步进电机3所走的单细分步角度大于理想单细分步角度的1.1倍，则将第一脉宽调制参数Pm向Pm-1调整，将第二脉宽调制参数Qm向Qm+1调整，否则执行步骤S34；
S34：若扫描步进电机3所走的单细分步角度小于理想单细分步角度的0.9倍，则将第一脉宽调制参数Pm向Pm+1调整，将第二脉宽调制参数Qm向Qm-1调整，否则执行步骤S31。
理想单细分步角度g：
g=β/n（3）。
S4：根据编码器4采集的空间角更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，直至扫描步进电机3在单步距角内所走过的细分步与细分数相同，完成航天扫描步进电机3的在轨自适应细分标定。
步骤S4具体包括如下步骤：
S41：控制扫描步进电机3在单步距角内正转一步，判断扫描步进电机3在单步距角内所走的细分步角度是否满足精度评判公式，若满足则执行步骤S42，否则执行步骤S43；
S42：判断扫描步进电机3在单步距角内所走的细分步是否与细分数相同，若相同则完成航天扫描步进电机3的在轨自适应细分标定，否则执行步骤S41；
S43：根据下式的判断结果更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数：
（4）；
S431：若判断结果满足式（4），则通过下式更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，否则执行步骤S432：
（5）；
S432：通过下式更新第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数：
（6）；
S433：控制扫描步进电机3在单步距角内反转一步，主控CPU模块1重新向FPGA模块2输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，重复步骤S41-S432，直至扫描步进电机3在单步距角内所走的细分步角度满足精度评判公式或迭代次数满足10次，重新执行步骤S41。
为了防止扫描步进电机3的在轨标定过程中，出现扫描步进电机3在单步距角内所走的某一细分步角度始终不满足精度判别公式，从而导致当前细分步角度的判别处于死循环，本发明实施例将迭代次数设为10次，即若当前细分步角度在循环10次后仍未满足精度判别公式，则直接进行下一细分步角度的判定。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统，其特征在于，包括主控CPU模块、FPGA模块和编码器，所述FPGA模块包括细分控制参数寄存器，其中，所述主控CPU模块用于向所述FPGA模块输送第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，所述FPGA模块用于根据所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数更新细分控制参数寄存器，并通过所述细分控制参数寄存器向所述扫描步进电机输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，所述扫描步进电机根据更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数进行走，所述编码器用于采集所述扫描步进电机走的空间角，并将所述空间角反馈至所述主控CPU模块，所述主控CPU模块判断所述空间角是否满足预设目标精度，并根据所述空间角更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数。
2.一种扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，利用权利要求1所述的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统实现，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：搭建如权利要求1所述的扫描步进电机的在轨自适应细分标定系统；
S2：根据预设目标精度及所述扫描步进电机的性能参数，确定细分数、第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，使所述扫描步进电机的两相电流的矢量和的幅值恒定：
（1）；
其中，m为所述扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步数，为第m细分步的第一脉宽调制参数，/>为第m细分步的第二脉宽调制参数，IAm为所述扫描步进电机的电机A相的平均电流幅值，IBm为所述扫描步进电机的电机B相的平均电流幅值，/>为所述电机A相的电压，/>为所述电机B相的电压，/>为所述电机A相的绕组阻值，/>为所述电机B相的绕组阻值；
S3：根据所述编码器采集的空间角更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数，直至所述扫描步进电机的单步精度满足所述预设目标精度，完成所述扫描步进电机在地面的细分标定；
S4：根据所述编码器采集的空间角更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数，直至所述扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步与所述细分数相同，完成所述航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定。
3.根据权利要求2所述的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31：通过下式判断所述扫描步进电机在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差是否满足预设的精度评判公式，所述精度评判公式：
（2）；
其中，为所述扫描步进电机在单步距角内走过第m细分步所对应的空间角，n为细分数，/>为所述扫描步进电机的单步距角，/>为预设目标精度；
S32：若所述扫描步进电机在单细分步内的精度误差与单步距角内的累积误差均满足所述精度评判公式，完成所述扫描步进电机在地面的细分标定，执行所述步骤S4，否则执行步骤S33；
S33：若所述扫描步进电机所走的单细分步角度大于理想单细分步角度的1.1倍，则将所述第一脉宽调制参数Pm向Pm-1调整，将所述第二脉宽调制参数Qm向Qm+1调整，否则执行步骤S34；
S34：若所述扫描步进电机所走的单细分步角度小于所述理想单细分步角度的0.9倍，则将所述第一脉宽调制参数Pm向Pm+1调整，将所述第二脉宽调制参数Qm向Qm-1调整，否则执行所述步骤S31。
4.根据权利要求3所述的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，其特征在于，所述理想单细分步角度g：
g=β/n（3）。
5.根据权利要求4所述的扫描步进电机的在轨自适应细分标定方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
S41：控制所述扫描步进电机在单步距角内正转一步，判断所述扫描步进电机在单步距角内所走的细分步角度是否满足所述精度评判公式，若满足则执行所述步骤S42，否则执行步骤S43；
S42：判断所述扫描步进电机在单步距角内所走的细分步是否与所述细分数相同，若相同则完成所述航天扫描步进电机的在轨自适应细分标定，否则执行步骤S41；
S43：根据下式的判断结果更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数：
（4）；
S431：若所述判断结果满足式（4），则通过下式更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数，否则执行步骤S432：
（5）；
S432：通过下式更新所述第一脉宽调制参数和所述第二脉宽调制参数：
（6）；
S433：控制所述扫描步进电机在单步距角内反转一步，所述主控CPU模块重新向所述FPGA模块输送更新后的第一脉宽调制参数和第二脉宽调制参数，重复所述步骤S41-S432，直至所述扫描步进电机在单步距角内所走过的细分步角度满足所述精度评判公式或迭代次数满足10次，重新执行所述步骤S41。
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