一种四闭环步进伺服控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于步进电机控制领域，更具体地，涉及一种四闭环步进伺服控制方法。
【背景技术】
[0002]目前市场上比较先进的步进电机驱动系统包括了步进电机和步进电机驱动器，主要包括两相步进电机驱动系统和三相步进电机驱动系统，其中步进电机驱动器称为全数字型驱动器，所谓全数字是指控制信号的输入采用数字脉冲方式或者数字通信方式，电机各相电流信号是经过模拟数字转换后的数字信号，控制功率器件驱动电机的PWM信号是数字信号，并且对这些输入输出信号的计算和处理是利用数字方法实现的。
[0003]但目前比较先进的全数字型步进电机驱动器不能避免步进电机在遇到重负载干扰情况下丢步的问题，也不能解决步进电机低速振动问题，更不能解决全速度段能耗大的问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种四闭环步进伺服控制方法，旨在解决现有技术中的步进电机在遇到重负载干扰情况下会丢步的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种四闭环步进伺服控制方法，包括下述步骤:
51:将位置指令信号与位置反馈信号相加获得当前周期的待执行位置信号，并将所述当前周期的待执行位置信号与上一个周期的待执行位置信号相减获得位置信号偏差；
52:将所述位置信号偏差乘以比例调节系数获得位置信号输出值；
53:对所述位置信号输出值进行滤波处理；
54:根据滤波后的位置信号输出值获得步进位置信号，并根据所述步进位置信号输出当前周期的电流相位值；将滤波后的位置信号乘以电流幅值倍率后与电流设置值进行比较获得当前周期的电流幅值；
55:将当前周期的电流相位值和上一个周期的电流相位值进行PI调节后获得电流输出值中的相位值；
将当前周期的电流幅值和上一个周期的电流幅值进行PI调节后获得电流输出值中的幅值。
[0006]其中，将电流环控制由电流幅值和电流相位控制两部分独立控制，达到步进电机力矩伺服控制的目的。
[0007]通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于引入了位置反馈环节，将位置偏差作为控制对象，目标是消除位置偏差；能够避免步进电机在遇到重负载干扰情况下丢步的问题。同时，将电流环控制拆分成了独立的相位控制和幅值控制，解决了步进电机的低速振动问题。另外，由于加入了电流幅值调节环节，调节环节可以根据位置误差调整输出电流的幅值，让被控制步进电机内部电流随着负载的大小变化，达到降低无功功率损耗，让步进电机运行时发热更小。
【附图说明】
[0008]图1是本发明实施例提供的四闭环步进伺服控制方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0009]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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0010]本发明实施例提供的步进伺服系统，可广泛的应用于机械手臂、医疗仪器、数控机床、激光切割机、精密转台等领域。
[0011]本发明实施例提供了一种可以让步进电机力矩、速度、位置伺服起来的步进伺服控制方法，该控制方法基于的伺服系统包括安装了位置/速度反馈装置的步进电机、具备电机线圈电流检测反馈的逆变电路、单片机或者信号处理器，位置、速度、电流信号都接入单片机，在只增加少量系统成本的情况下，利用位置传感器、电流传感器硬件和软件算法实现步进电机控制的伺服化。
[0012]本发明实施例的目的在于提供一种四闭环步进伺服控制方法，其中，四闭环分别是位置闭环、力矩闭环、电流相位闭环和电流幅值闭环；四个控制环交织在一起可以解决步进电机系统的三个问题:(I)避免步进电机在遇到重负载干扰情况下丢步的问题；(2)解决步进电机低速振动问题；(3)全速度段能耗大的问题。
[0013]在本发明实施例中，四闭环步进伺服方法适用于各种步距角、极对数、各种相数的步进电机控制系统，包括了两相步进电机系统、三相步进电机系统、五相步进电机系统。本发明的实施前提是该步进系统在硬件上拥有位置、速度和电流反馈环节，主处理器具有强大的运算能力。位置、速度反馈可以是光电式增量编码器、可以是绝对值编码器、可以是磁性编码器。电流反馈可以用电流传感器反馈或者电阻采样运算放大器处理的电流值。基于以上硬件可以实施本发明方法。具体实施流程，如下图1所示:
包括下述步骤:
S1:将位置指令信号与位置反馈信号相加获得当前周期的待执行位置信号，并将所述当前周期的待执行位置信号与上一个周期的待执行位置信号相减获得位置信号偏差；其中，待执行位置信号是指在一个新的调节周期(例如1us)内，上位机(如PLC、运动控制器、运动控制卡)给到步进伺服系统的位置指令信号。
[0014]S2:将所述位置信号偏差乘以比例调节系数获得位置信号输出值；
其中，比例调节系数为比例调节的参数，可以根据电机功率和负载转动惯量修改，以满足不同应用场合的需要。
[0015]S3:对所述位置信号输出值进行滤波处理；
S4:根据滤波后的位置信号输出值获得步进位置信号，并根据所述步进位置信号输出当前周期的电流相位值；将滤波后的位置信号乘以电流幅值倍率后与电流设置值进行比较获得当前周期的电流幅值；
其中，步进位置信号是指是经过S1~S3的复杂计算，得出的电机转子相对位置增量，在单位周期内需要一步执行完这个增量。电流幅值倍率为电流与位置偏差关联度参数，应用时依据实际需求设置，该值越大，关联度越大，但太大以后系统会不稳定，一般取O?3。电流设置值为本方法所控制的电机的额定电流。在电机出厂时已经确定。常见57_法兰步进电机一般在3A以内，常见86mm法兰步进电机一般在6A以内。
[0016]S5:将当前周期的电流相位值和上一个周期的电流相位值进行PI调节后获得电流输出值中的相位值；
将当前周期的电流幅值和上一个周期的电流幅值进行PI调节后获得电流输出值中的幅值。
[0017]本发明涉及的控制系统拥有位置指令输入功能和额定电流(力矩)设置功能，整个控制过程包含了 4个调节环节，分别是位置比例调节、力矩负载能力调节、电流相位调节和电流幅值调节。
[0018]本发明能够避免步进电机在遇到重负载干扰情况下丢步的问题，是因为引入了位置反馈环节，将位置偏差作为控制对象，目标是消除位置偏差。实施这一控制环节的特点是:并没有将位置指令和位置反馈做差计算位置偏差，而是将位置指令和位置反馈的差作为待执行位置，与上次待执行的位置再做差，得出位置偏差，位置偏差再做比例调节得到位置输出值，这样控制的最大好处是保证了步进电机的响应能力和刚性的同时保证了系统的稳定性。
[0019]步进电机振动比较成熟的解决的方法是做正弦电流输出，但低速的振动点依然不能消除，本发明能够解决步进电机低速振动问题，是因为将传统的电流环控制拆分成了独立的相位控制和幅值控制，并且将稳定的位置环控制结果再次做信号滤波而得到步进位置。实施这一控制环节的特点是:将电流控制分为相位和幅值两个部分，确保在输出信号时相位一定是准确的，从而解决步进电机抖动的问题。
[0020]步进电机发热损耗几乎与负载大小无关，全速度段能耗大的问题是因为传统步进电机控制采用恒定电流的控制方法，传统方法是全速度范围内、任意负载条件下电机线圈电流都一致，都是设置值。而本发明能够解决全速度段能耗大的问题，是因为在控制系统中加入了电流幅值调节环节，调节环节可以根据位置误差调整输出电流的幅值，让被控制步进电机内部电流随着负载的大小变化，达到降低无功功率损耗，让步进电机运行时发热更小。
[0021]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种四闭环步进伺服控制方法，其特征在于，包括下述步骤: S1:将位置指令信号与位置反馈信号相加获得当前周期的待执行位置信号，并将所述当前周期的待执行位置信号与上一个周期的待执行位置信号相减获得位置信号偏差； 52:将所述位置信号偏差乘以比例调节系数获得位置信号输出值； 53:对所述位置信号输出值进行滤波处理； 54:根据滤波后的位置信号输出值获得步进位置信号，并根据所述步进位置信号输出当前周期的电流相位值；将滤波后的位置信号乘以电流幅值倍率后与电流设置值进行比较获得当前周期的电流幅值； 55:将当前周期的电流相位值和上一个周期的电流相位值进行PI调节后获得电流输出值中的相位值； 将当前周期的电流幅值和上一个周期的电流幅值进行PI调节后获得电流输出值中的幅值。2.如权利要求1所述的四闭环步进伺服控制方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电流幅值倍率大于O且小于等于3。3.如权利要求1所述的四闭环步进伺服控制方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电流设置值为被控电机的额定电流。
【专利摘要】本发明公开了一种四闭环步进伺服控制方法，包括步骤S1将位置指令信号与位置反馈信号相加获得当前周期的待执行位置信号，并将当前周期的待执行位置信号与上一个周期的待执行位置信号相减获得位置信号偏差；S2将位置信号偏差乘以比例调节系数获得位置信号输出值；S3对位置信号输出值进行滤波处理；S4根据滤波后的位置信号输出值获得步进位置信号，并根据步进位置信号输出当前周期的电流相位值；将滤波后的位置信号乘以电流幅值倍率后与电流设置值进行比较获得当前周期的电流幅值；S5将当前周期的电流相位值和上一个周期的电流相位值进行PI调节后获得电流输出值中的相位值；将当前周期的电流幅值和上一个周期的电流幅值进行PI调节后获得电流输出值中的幅值。
【IPC分类】H02P8/12
【公开号】CN105186951
【申请号】CN201510598761
【发明人】李鹏, 高涛, 高超京
【申请人】李鹏
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月18日