CN1595787A

CN1595787A - 步进电机双模式控制方法及系统

Info

Publication number: CN1595787A
Application number: CNA2004100279020A
Authority: CN
Inventors: 刘晓东
Original assignee: SHENZHEN EAST SPACE LIGHT ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN EAST SPACE LIGHT ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2005-03-16

Abstract

一种步进电机双模式控制方法及系统，其中方法包括由控制器内的模式转换器直接将计算机给出的步进脉冲信号馈送给驱动器所形成的开环步进模式；和由控制器内的模式转换器接收光栅信号并作为步进脉冲馈送给驱动器，同时该光栅信号还作为一个速度反馈与控制器内的速度给定信号进行比较，其差值推动电压伺服调节器以给出一适当的控制电压，并在步进驱动器发出的驱动脉冲与得到的驱动脉冲之间保持一恒定启动差值所形成的直流无刷闭环速度伺服模式。系统包括一步进电机驱动的负载，及负载另一端连接的光栅传感器，及光栅传感器连接的控制器，及控制器连接的控制计算机和步进驱动器；步进驱动器驱动步进电机。

Description

步进电机双模式控制方法及系统

技术领域

本发明涉及滚筒式激光照排机，主要是指一种步进电机双模式控制方法及系统。

背景技术

在某些工程应用中，例如滚筒式激照排机、激光光绘机，要求既能够实现负载(滚筒)的高速旋转，又能够实现频繁而又精确的角度定位，而这类负载往往具有很大的转动惯量。

传统的解决方法一般是采用磁滞同步电机拖动滚筒实现高速运转，同时辅以步进电机和摩擦轮、离合、凸轮等机构实现角度定位，此类机械结构比较复杂。

另一个可能的解决方案是交流伺服系统。交流伺服系统可以兼顾定位和高速拖动。但为了满足稳定和定位刚度的要求，负载与交流伺服电机的惯量比不应大于10。这就要求采用一个非常大功率的电机系统，在工程上是得不偿失的。

若采用步进电机作为负载的主轴驱动，辅以光栅编码器测角，则可以在开环状态下实现滚筒的精确定位，不存在稳定性问题，是一个既简单，成本又低的方案。但在拖动大惯量负载旋转时，由于高速共振区的存在，使得转速不可能很高。如在某一特定的工程实例中，转速不能超过500RPM，速度再高则会波动、失步。

发明内容

本发明的目的就是为了解决步进电机在控制大惯量负载时高速失步问题，以其将稳定的位置控制和优良的高速性能结合起来，同时保持地成本，而提供一种步进电机双模式控制方法及系统。

实现本发明的技术方案包括开环步进模式和直流无刷闭环速度伺服模式的控制及转换方法，其中

开环步进模式包括：

a.由控制器内的模式转换器直接将计算机给出的步进脉冲信号馈送给驱动器；和

b.保持伺服电压在最大值恒定不变。

直流无刷闭环速度伺服模式包括：

c. 由计算机给控制器一个数字态的速度给定信号，控制器内的模式转换器接收光栅信号并作为步进脉冲馈送给驱动器，同时该光栅信号还作为一个速度反馈与控制器内的速度给定信号进行比较，其差值推动电压伺服调节器以给出一适当的控制电压；和

d.光栅的分辨率与步进分辨率相等；和

e.在步进驱动器发出的驱动脉冲与得到的驱动脉冲之间保持一恒定启动差值；

开环步进模式与直流无刷闭环速度伺服模式的转换---模式转换器包括：

f.模式转换是通过一数据选择器，其根据模式控制端的高低将步进脉冲/光栅信号送往步进驱动端。

该技术方案的方法还包括：

a.在控制器的输入信号中：光栅信号来自光栅传感器，步进脉冲信号、速度给定信号、模式控制信号均来自控制计算机；和

b.在控制器的输出信号中：步进驱动脉冲送给步进电机驱动器，伺服电压送给驱动器的强电输入端；和

c.所述电压伺服调节器为线性的功率放大器或脉宽调制功率放大器，其控制端与模式控制端相连；和

d.所述恒定启动差值由启动器发出；和

e.由驱动器的电压控制速度；和

f.所述直流无刷闭环速度伺服模式含有一增量型光栅，其作为自馈的脉冲源和速度反馈信号。以及

g.所述速度给定为八位二进制总线数据；和

h.所述模式控制为位控信号，并定义开环步进状态为0、闭环速度伺服为1；和

i.所述电压伺服调节器，定义0为给出最高饱和输出电压、1为给出受控的伺服电压；和

j.所述启动器为一脉冲链发生器，其受模式控制端控制。

实现上述方法的系统包括：

一步进电机驱动的负载，及负载另一端连接的光栅传感器，及光栅传感器连接的控制器，及控制器连接的控制计算机和步进驱动器；步进驱动器驱动步进电机。

该系统还包括：

所述开环步进模式控制系统包括一步进电机驱动的负载，及驱动步进电机的步进驱动器，及连接步进驱动器的控制器。

所述直流无刷闭环速度伺服模式控制系统包括一步进电机驱动的负载，及驱动步进电机的步进驱动器，及连接步进驱动器的控制器，及连接控制器的光栅传感器，而光栅传感器连接在负载另一端的轴上。

所述控制器包括模式转换器、启动器、电压伺服调节器、数字/电压变换器、频率/电压变换器及其连接。

所述控制器一具体电路是：计数器U1接口CLK接时钟脉冲CLK，U1接口TC与接口CET之间跨接非门U3A，U1接口CEP接与门U2A的输入脚1，U2A U2A的输入脚2、13分别接U1接口CLK和MR，U2A的输出脚12接或门U4A的输入脚1，U4A的输入脚2接光栅信号GS，U4A的输出脚3接与门U5B的输入脚4，U5B的输入脚5接模式给定M，U5B的输入脚5与与门U5A的输入脚2之间跨接非门U3B，U5A的输入脚1接步进脉冲BM，U5A的输出脚3和U5B的输出脚6分别接或门U4B的输入脚4和5，U4B的输出脚6为步进驱动BQ；数字/电压变换器U6脚1-8接速度给定VD，U6脚9经电阻R12接比较器OP1负极，OP1输出经电阻R7后，一路经电阻R8分别接三极管Q1的基极和三极管Q2的集电极，另一路跨接在比较器OP2正极与频率/电压变换器U7、电阻R6之间，OP2的输出经电阻R2分别接Q2的基极和三极管Q3的集电极，Q3的基极经电阻R3、R4和非门U3C接U1的MR，U7脚1接光栅信号GS，Q1的发射极为伺服电压VP。

所述步进电机驱动的负载为滚筒式激照排机的滚筒。

本发明具有如下优点：

1.实现了步进电机的两种工作模式。

2.工作精度高，运行平稳。

3.结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明的工作原理图，其中1步进电机、2联轴器、3轴承、4滚筒、5光栅传感器、6控制器、7步进驱动器、8控制计算机。

图2是图1中控制器的方框图

图3是控制器的电路原理图。

具体实施方式

本发明旨在解决步进电机在控制大惯量负载时高速失步问题的方法和系统，包括两种工作模式及运行和控制系统：一是传统的开环步进，二是直流无刷闭环速度伺服，分别应用在位置控制和速度控制状态中。

系统的典型结构见图1，其中步进电机1、负载(滚筒)4、光栅编码器5之间用弹性联轴器直联；此外还包括控制器6、驱动器7、控制计算机8等控制系统。

步进电机驱动器可以是整步、半步驱动器，也可以是细分驱动器。假如步进电机为1.8°角距的两相电机，而驱动器为8细分型，则可以算出驱动滚筒旋转一周所需的脉冲数为

BJ＝(360°÷1.8°)×8＝1600P/R我们将之称之为步进分辨率。

光栅可以是增量型的，但光栅的分辨率应该与步进分辨率相等(匹配)，若光栅分辨写为GS，则应有GS＝BJ。在本例中，光栅分辨率也应为1600P/R。其它分辨率的光栅，如果可以通过分频变换能够与步进分辨率相等，则也可以认为是匹配的。

系统的核心是图1中的控制器，控制器的内部框图见图2，一个可以实现的电路见图3。下面结合图3详述如下：

控制器的输入信号中，光栅信号GS(频率)来自光栅传感器；步进脉冲BM，速度给定VD，模式控制M来自控制计算机。其中速度给定VD在本例中为八位二进制总线数据，模式控制M为位控信号。为叙述方便，我们定义模控信号M为0时，系统处于开环步进状态；为1时，系统进入闭环速度伺服。

控制器的输出信号中步进驱动BQ送往步进电机驱动器，伺服电压VP则送往驱动器的强电输入端。

控制器中的数字—电压变换器U6和频率—电压变换U7均为周知模块，不赘述。

电压伺服调节器可以是一个线性的功率放大器，也可以是一个脉宽调制功率放大器。不论是何种放大器，它均应有一个控制端与模式控制M端相连，使得在其为0时，放大器给出最高的饱和输出电压，为1时给出受控的伺服电压。在本例中，速度给定信号VD经D/A变换器U6转换为电压信号，经OP1反相后，送往OP2的同相端；速度反馈信号GS经F/A变换器U7转换为电压信号后亦送往OP2的同相端；两信号在此相减，其差值推动由OP2，Q2，Q1组成的电压功率放大器给出送往驱动器的伺服电压VP。但是一旦模式控端M不为1，则Q3将导通，继而Q2截止，电压伺服调节器将被强迫输出最高电压。

模式转换器是一个数据选择器，它视模式控制端M的高低，将步进脉冲BM或者光栅信号GS送往步进驱动端。它由与或门及非门U5A、U5B、U4B、U3B组成。

启动器是一个脉冲链发生器，也是由模式控制端M控制。它主要由一个定长的计数器U1来控制脉冲的发送个数。它有一个内部时钟。易于看出当模式控制端M为0时，计数器U1被清0，与门被模控端M关闭；而当模式控制端M为1时，计数器U1开始计数，同时与门U2：A打开，脉冲得以输出；在定长的计数完成时，计数器U1的进位信号经反相后一方面终止计数，一方面关闭与门U2：A，使脉冲输出停止。在这个过程中脉冲输出个数等于计数器模长。模式控制端M归0之后，整个电路复位。

下面叙述两种工作模式：

1、开环步进模式

在此模式下，控制器内的模式转换器直接将计算机给出的步进脉冲BQ馈送给驱动器，同时保持伺服电压VP在最大值恒定不变。光栅信号GS和速度给定VD此时对控制器而言是无效的，负载在控制计算机的指令下步进运动，与传统方式无异。

2、直流无刷闭环速度伺服

此模式下计算机不再给出步进脉冲BM而是给出一个数字态的速度给定VD，而控制器内的模式转换器则将光栅信号GS接入，作为步进脉冲馈送给驱动器。同时光栅信号GS也作为一个速度反馈在控制器内与速度给定比较，其差值推动电压伺服调节器以给出适当的控制电压VP。

可以看出，在这个速度环中，已不再有外部驱动脉冲介入，步进电机的驱动脉冲链是闭合的，自给自足的。即如果光栅分辩率与步进分辩率匹配，则一旦电机运转起来，驱动器将自动获得由它自己产生的驱动脉冲，或称之为自馈脉冲。

但这时仍不能保证这个闭合环能运转起来，虽然满足自馈条件，它仍可能是静止的。另一个运转的必要条件是在步进驱动器发出的驱动脉冲(角度)和得到的驱动脉冲(角度)之间应保持一个恒定的差值，或称之为“牵引角”，它可表达为一个合适长度的脉冲链。这个脉冲链可以在进入速度环模式时由启动器发出加入到闭合链中。这个过程称之为“启动”。

一旦脉冲链自馈条件满足，并且有合适的牵引角，则这个闭合环将自运转，其转速将仅受驱动器电压的控制。如果这时再引入速度给定VD和测速反馈GS，则这个系统模式又无异于传统的直流速度伺服。

在直流速度环模式下，由于不存在开环强迫步进时的高速共振区，系统的高速性能远优于强迫步进态。具体表现在：

①速度范围大大扩展；②极其平稳；③低噪声；④低发热。

以上所述的步进电机双模式控制系统，在大惯量负载下既能够实现高精度的位置控制，又能够实现平稳高速，完全能够胜任一些高精度的工况，如激光图形扫描等。同时还能保持简单的结构和低的成本。

Claims

1.一种步进电机双模式控制方法，包括开环步进模式和直流无刷闭环速度伺服模式的控制及转换方法，其特征是

A.开环步进模式

b.保持伺服电压在最大值恒定不变；

B.直流无刷闭环速度伺服模式

c.由计算机给控制器一个数字态的速度给定信号，控制器内的模式转换器接收光栅信号并作为步进脉冲馈送给驱动器，同时该光栅信号还作为一个速度反馈与控制器内的速度给定信号进行比较，其差值推动电压伺服调节器以给出一适当的控制电压；和

d.光栅的分辨率与步进分辨率相等；和

C.开环步进模式与直流无刷闭环速度伺服模式的转换---模式转换器

2.根据权利要求1所说的控制方法，其特征是

d.所述恒定启动差值由启动器发出；和

e.由驱动器的电压控制速度；和

f.所述直流无刷闭环速度伺服模式含有一增量型光栅，其作为自馈的脉冲源和速度反馈信号。

3.根据权利要求1所说的控制方法，其特征是

a.所述速度给定为八位二进制总线数据；和

b.所述模式控制为位控信号，并定义开环步进状态为0、闭环速度伺服为1；和

c.所述电压伺服调节器，定义0为给出最高饱和输出电压、1为给出受控的伺服电压；和

d.所述启动器为一脉冲链发生器，其受模式控制端控制。

4.实现权利要求1的步进电机双模式控制方法的系统，其特征所述系统包括一步进电机驱动的负载，及负载另一端连接的光栅传感器，及光栅传感器连接的控制器，及控制器连接的控制计算机和步进驱动器；步进驱动器驱动步进电机。

5.根据权利要求4所说的系统，其特征是所述开环步进模式控制系统包括一步进电机驱动的负载，及驱动步进电机的步进驱动器，及连接步进驱动器的控制器。

6.根据权利要求4所说的系统，其特征是所述直流无刷闭环速度伺服模式控制系统包括一步进电机驱动的负载，及驱动步进电机的步进驱动器，及连接步进驱动器的控制器，及连接控制器的光栅传感器，而光栅传感器连接在负载另一端的轴上。

7.根据权利要求4所说的系统，其特征是所述控制器包括模式转换器、启动器、电压伺服调节器、数字/电压变换器、频率/电压变换器及其连接。

8.根据权利要求4所说的系统，其特征是所述控制器一具体电路是：计数器U1接口CLK接时钟脉冲CLK，U1接口TC与接口CET之间跨接非门U3A，U1接口CEP接与门U2A的输入脚1，U2A U2A的输入脚2、13分别接U1接口CLK和MR，U2A的输出脚12接或门U4A的输入脚1，U4A的输入脚2接光栅信号GS，U4A的输出脚3接与门U5B的输入脚4，U5B的输入脚5接模式给定M，U5B的输入脚5与与门U5A的输入脚2之间跨接非门U3B，U5A的输入脚1接步进脉冲BM，U5A的输出脚3和U5B的输出脚6分别接或门U4B的输入脚4和5，U4B的输出脚6为步进驱动BQ；数字/电压变换器U6脚1-8接速度给定VD，U6脚9经电阻R12接比较器OP1负极，OP1输出经电阻R7后，一路经电阻R8分别接三极管Q1的基极和三极管Q2的集电极，另一路跨接在比较器OP2正极与频率/电压变换器U7、电阻R6之间，OP2的输出经电阻R2分别接Q2的基极和三极管Q3的集电极，Q3的基极经电阻R3、R4和非门U3C接U1的MR，U7脚1接光栅信号GS，Q1的发射极为伺服电压VP。

9.根据权利要求4所说的系统，其特征是所述步进电机驱动的负载为滚筒式激照排机的滚筒。