CN209692537U - 一种步进电机位置检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种步进电机位置检测装置，包括磁性编码器和信号处理电路，所述信号处理电路包括检测器件、单片机、RS485接口电路、差分信号输出接口电路，并与磁性编码器连接，所述单片机通过SPI总线与磁性编码器通信连接，并与RS485接口电路电连接，所述差分信号输出接口电路与磁性编码器电连接。本实用新型利用磁性编码器能得到电机绝对位置的特性，结合增量式正交信号传输速度快的特性，能够解决步进电机上电时位置不确定而导致的抖动，同时具有高速的正交编码信号输出，满足步进电机闭环工作的高速要求，并通过校准算法，提高了初始位置的检测精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及步进电机的电磁测量技术，特别涉及一种步进电机位置检测装置。
背景技术
步进电机通常工作于开环模式，无需位置传感器。随着对步进电机运行速度、精度和可靠性的要求越来越高，通过给步进电机安装位置传感器，使得步进电机工作于闭环模式。
对步进电机进行闭环控制，需要知道转子的位置。目前广泛使用的增量式编码器无法得知转子的初始位置，只能先通过开环给定，让电机锁定，以此确定电机转子的初始角度。在转子存在负载时，以此方法确定的初始角度存在较大误差，影响步进电机的闭环控制。同时开环给定电流锁定电机，由于初始位置的不确定，导致电机上电锁定时，转子存在两个整步的位置移动，这在一些应用场合是无法接受的。
针对闭环模式，在电机控制领域，位置传感器主要为增量式光电编码器，绝对式编码器，磁性编码器。增量式光电编码器的缺点在于无法读取电机的绝对位置，应用于步进电机驱动时，无法确定步进电机转子的初始相位；绝对式编码器的缺点在于，传输速度存在固定的通讯时间延迟，需实时通讯读取位置信息，受距离影响可能降低通讯可靠性，价格较增量式高。
磁性编码器具有高速的SPI通讯接口和正交编码输出接口，但是受限于磁性编码器的安装要求，磁性编码器检测芯片需要安装在垂直于电机转子轴的短距离位置。在许多应用场合，由于空间的限制，电机控制器的主控芯片MCU离磁性感应器距离较远，而SPI总线的工作距离较短，许多应用场合受到限制，无法同时满足直接采用SPI总线读取绝对位置和高速读取增量信号的要求。
本实用新型利用磁性编码器能得到电机绝对位置的特性，结合增量式正交信号传输速度快的特性，设计了一种适用于步进电机的位置反馈装置，配合相应的驱动器构成步进伺服系统，能够解决步进电机上电时位置不确定而导致的抖动，同时具有高速的正交编码信号输出，满足步进电机闭环工作的高速要求。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种步进电机位置检测装置为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：
一种步进电机位置检测装置，包括磁性编码器和与磁性编码器连接的信号处理电路，所述信号处理电路包括检测器件、单片机、RS485接口电路、差分信号输出接口电路，所述单片机与RS485接口电路电连接，并通过SPI总线与磁性编码器通信连接，所述差分信号输出接口电路与磁性编码器电连接。
优选地，该装置还包括一个磁铁，所述磁铁安装在步进电机底部输出轴端部。
优选地，所述磁性编码器设于磁铁中心，所述信号处理电路设于电机一侧。
优选地，所述MCU型号为STM8S003F3P6。
优选地，所述差分信号输出接口电路包括26LS31芯片。
优选地，所述步进电机采用闭环步进电机。
采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：
本实用新型利用磁性编码器能得到电机绝对位置的特性，结合增量式正交信号传输速度快的特性，能够解决步进电机上电时位置不确定而导致的抖动，同时具有高速的正交编码信号输出，满足步进电机闭环工作的高速要求，并通过校准算法，提高了初始位置的检测精度。
附图说明
图1为本实用新型步进伺服系统架构；
图2为本实用新型电路结框架图；
图3为MCU工作流程；
图4为伺服驱动器工作流程。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进一步说明。
参照图1和图2，该装置包括，一个安装于电子转子的磁铁，一个磁性编码器及信号处理电路，所述信号处理电路包括：磁性编码器检测器件，一个单片机(MCU)，一个RS485接口电路，一个差分信号输出接口电路，所述磁铁设于电机输出轴端部，所述磁性编码器设于磁铁中心，所述信号处理电路设于电机一侧。
所述MCU型号为STM8S003F3P6，具有SPI总线接口和UART总线。
所述差分信号输出接口电路包括26LS31芯片。
所述步进电机采用闭环步进电机。
本实用新型的工作原理为：
MCU通过SPI总线读取位置信息，然后通过RS485总线发送位置信息，磁性编码器的增量式接口输出的增量式正交信号通过一个单端转差分芯片转换成差分信号，并发送至步进伺服驱动器，步进伺服驱动器能够通过RS485总线输出转子的绝对位置和通过差分信号输出正交编码信号。
电路中的MCU采用SPI接口，读取磁性编码器的绝对位置信息，设置磁性编码器的零位；由于SPI接口无法远距离传输，本实用新型通过RS485总线，将SPI读取的信息发送给驱动器主机；由于本实用新型设计的控制对象为闭环步进电机，只需要在安装的时候执行一次零位校准，和驱动器上电时读取转子的初始位置，所以对RS485的通讯速度要求不高，通用的低速通讯可以满足要求。
单端信号转差分信号的输出接口，优选采用26LS31芯片，将磁性编码器输出的单端正交编码信号转换为差分正交编码信号，提升信号的抗干扰能力。
针对安装工艺等偏差，步进电机采用的伺服驱动器设计了基于最小二乘法的位置校准功能，对位置传感器进行校准，采用最小二乘法进行直线拟合，使得位置传感器在360度范围内的误差最小。
1、MCU工作流程如下：
1.1、上电锁定电机A相，发送RS485命令，磁性编码器的位置信息设置为0；
1.2、使用微步细分的方法，让电机一个朝方向运行360度，每运行一个微步，等待电机停止，读取磁性编码器的位置信息；
1.3、依据每一步采集到的绝对位置信息，采用最小二乘法进行直线拟合；
1.4、发送直线拟合参数至位置检测电路并保存。
2、伺服驱动器工作流程如下：
2.1、通过RS485总线读取步进电机的初始位置信息；
2.2、计算当前的电角度；
2.3、依据电角度计算需要施加在电机各绕组的电压矢量；
2.4、电机锁定，进入实时控制状态，电机的实时位置＝初始位置+增量接口读取的位置增量。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的保护范围内。
Claims (6)
1.一种步进电机位置检测装置，其特征在于，包括磁性编码器和与磁性编码器连接的信号处理电路，所述信号处理电路包括检测器件、单片机、RS485接口电路、差分信号输出接口电路，所述单片机与RS485接口电路电连接，并通过SPI总线与磁性编码器通信连接，所述差分信号输出接口电路与磁性编码器电连接。
2.根据权利要求1所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，该装置还包括一个磁铁，所述磁铁安装在步进电机底部输出轴端部。
3.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述磁性编码器设于磁铁中心，所述信号处理电路设于电机一侧。
4.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述单片机型号为STM8S003F3P6。
5.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述差分信号输出接口电路包括26LS31芯片。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述步进电机采用闭环步进电机。
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|---|---|---|---|
| CN201920401502.3U CN209692537U (zh) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | 一种步进电机位置检测装置 |
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Publications (1)
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN209692537U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023197495A1 (zh) * | 2022-04-12 | 2023-10-19 | 浙江恒强科技股份有限公司 | 一种基于步进电机的控制方法、装置及电子设备 |
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2019
- 2019-03-27 CN CN201920401502.3U patent/CN209692537U/zh active Active
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