专利名称：一种步进电机控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种步进电机控制系统及其控制方法。
背景技术：
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的 情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电 机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单。电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移l/m，2/ m……(m-l)/m，l。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条 件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市 场上一般以二、三、四、五相为多。现有步进电机控制系统，大多开环控制，或采用完全的闭 环控制，其中开环控制，精度和性能不能保证，闭环控制算法则比较复杂，增加设计调试周 期和成本。不能满足工程生产对步进电机的需求。
发明内容
本发明提供一种低成本、高定位精度、高适用性的步进电机控制系统及其控制方法。一种步进电机控制系统，由控制器、步进电机驱动器、步进电机、传动机构、负载、 和光电码盘组成，所述控制器送给所述驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信 息和方向信号并作用到所述步进电机，步进电机通过驱动机构带动负载，光电码盘反馈位 置信息传给控制器。所述步进电机为直流5相步进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。一种步进电机控制系统的控制方法，它包括以下步骤a.首先控制速度，依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度，以实现 慢速启动，慢速停止，防止失步；b.在控制器接收到位置控制指令后，控制器首先计算出到目标位置要行进的电机 步数M;c.在运行过程中，电机接收到一个脉冲，转动一步，M减1，M不断减小，直到为0， 为补偿空回，主要是传动机构的空回，要根据码盘反馈的位置数值对M值进行校正；d. M值的校正，要根据处理器的执行速度和最高脉冲频率综合考虑，在低速时进行 M值的校正，同时对电机的速度进行重设，根据运行速度和M值进行计算，避免慢速爬行停 止和骤停；e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止，防止失 步及过冲，充分利用步进电机的特性，最大限度提高其运行性能，由于空回过大或其他原因 如卡制造成失步，系统具有失步检测功能，能够在调试阶段对传动机构进行有效指导，在运行阶段可以发出故障信息便于查找问题；f.当M彡0时，电机停止运行，通过d步骤的码盘校正，已经补偿了空回的影响，但 可能存在停止过冲，所以对精度要求较高的场合和应用，还要进行过冲补偿，根据负载的惯 性，可以估计过冲停止时间K毫秒，在脉冲停止K = 100毫秒后，负载最终停止，此时根据码 盘计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目 标位置，此时因为距离很近，所以速度很低，过冲满足精度要求，此过程可进行1-3次，不会 出现震荡现象。本发明通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制 相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高 的故障适用性。要实现高适用性，即在一定场合下，采用空回补偿和过冲补偿，提升定位精 度，但在其他一些场合，不需要高的定位精度，此时则可以不进行空回补偿和过冲补偿，即 纯粹的开环控制，提高了运行效果和故障适用性。如步进电机控制的摄像转台系统中，传动 机构为蜗轮蜗杆，在预置位和扫描搜索等要求高定位精度的模式下，要采用空回补偿和过 冲补偿，而在单杆和自动跟踪模式下，不需要较高的定位精度，需要较好的运行效果，就不 进行空回补偿和过冲补偿，在这种情况下，即使码盘出现了问题，不致于系统完全瘫痪，依 然可以进行基本的控制。本控制系统，在保证精度和运行效果的情况下降低成本，控制算法 简单可靠，耐用性好，根据不同的运行模式选择不同的控制，即使在测角装置出现问题，系 统仍然可以满足基本的运行要求，总体性价比高。
下面结合附图对本发明做进一步的说明图1是本发明步进电机控制系统基本组成示意图；图2是本发明步进电机控制系统所依据的速度指数曲线图；图3是本发明步进电机控制系统控制流程图；图4是本发明步进电机控制系统失步检测流程图；图5是本发明步进电机控制系统2轴运动控制系统示意图。
具体实施例方式本系统组成如附图1所示，由控制器，步进电机驱动器，步进电机、传动机构、负 载、和光电码盘组成，控制器送给驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方 向信号，码盘反馈位置信息给控制器，步进电机为直流5相步进电机，传动机构为蜗轮蜗 杆。系统通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合 提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障 适用性。要实现高精度的位置控制和运行效果，同时避免复杂的控制算法，采用以下方 法a.首先速度控制依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度，以实现慢 速启动，慢速停止，防止失步，运行平稳的效果，指数曲线图如附图2 ；b.在控制器接收到位置控制指令后，首先计算出到目标位置要行进的电机步数M，参见附图3。c.在运行过程中，电机接收到一个脉冲，转动一步，M减1，M不断减小，直到为0。 为补偿空回，主要是传动机构的空回，要根据码盘反馈的位置数值对M值进行校正。d. M值的校正，要根据处理器的执行速度和最高脉冲频率综合考虑，如果频率过 高，处理速度跟不上，M值和实际值就有较大误差，从而影响精度和效果，所以要在低速时进 行M值的校正，同时对电机的速度进行重设，根据目前的运行速度和M值进行计算，避免慢 速爬行停止和骤停。e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止，防止失 步及过冲，充分利用步进电机的特性，最大限度提高其运行性能。由于空回过大或其他原因 如卡制造成失步，系统具有失步检测功能，能够在调试阶段对传动机构进行有效指导，在运 行阶段可以发出故障信息便于查找问题。f.当MS 0时，电机停止运行，通过4>的码盘校正，已经补偿了空回的影响，但 可能存在停止过冲，所以对精度要求较高的场合和应用，还要进行过冲补偿，根据负载的惯 性，可以估计过冲停止时间K毫秒，在脉冲停止K = 100毫秒后，负载最终停止，此时根据码 盘计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目 标位置，此时因为距离很近，所以速度很低，所以过冲满足精度要求，此过程可进行1-3次， 不会出现震荡现象。要实现高适用性，即在一定场合下，采用空回补偿和过冲补偿，提升定位精度，但 在其他一些场合，不需要高的定位精度，此时则可以不进行空回补偿和过冲补偿，即纯粹的 开环控制，提高了运行效果和故障适用性，参见附图3。如步进电机控制的摄像转台系统中， 传动机构为蜗轮蜗杆，在预置位和扫描搜索等要求高定位精度的模式下，要采用空回补偿 和过冲补偿，而在单杆和自动跟踪模式下，不需要较高的定位精度，需要较好的运行效果， 就不进行空回补偿和过冲补偿，在这种情况下，即使码盘出现了问题，不致于系统完全瘫 痪，依然可以进行基本的控制.失步补偿检测由于传动机构空回，系统咔制等原因，步进电机就会出现失步现 象。为避免失步，需要做几方面的工作一是早期对机械传动机构的研磨校正，尽可能减小 空回，这需要失步检测，二，在运行阶段，由于长期运转造成空回量增加引起失步，此时一方 面要检测到失步并上传故障信息，同时对失步量进行检测补偿，保证系统依然能够正常运 行，不影响运行效果。当系统出现异常咔滞，无法转动时，系统严重失步，此时上传故障信息。具体失步 检测流程如附图4所示。电机每转Ν步，即根据码盘反馈数值计算等效电机步数m并判断 一次，如果偏差过大，大于K，则认为电机失步，此时即根据失步程度采取降速处理，使其不 至于出现脉冲速度与负载速度不匹配引起继发性失步，同时把失步次数计数器T加1，并上 传失步故障，判断τ值是否大于3，即是否连续3次失步，如果是既认为出现咔滞堵转，停止 运行并上报故障信息，如果IN-NlI值偏差小于参量K，则认为没有失步，各标志N，Ni, T清 零重新下一次判断。本控制系统，在保证精度和运行效果的情况下降低成本，控制算法简单可靠，耐用 性好，根据不同的运行模式选择不同的控制，即使在测角装置出现问题，系统仍然可以满足 基本的运行要求，总体性价比高。根据上述技术方案，设计2轴摄像转台步进电机控制系
5统，方位和俯仰轴分别采用一套5相步进电机加细分驱动器、2500线光电码盘、蜗轮蜗杆传 动机构及限位开关，一块运动控制卡实现对方位轴和俯仰轴的控制功能，实现各种运动控 制模式，摇杆控制模式、预置位模式、扫描、搜索模式以及自动跟踪模式等，其中摇杆模式不 需要很高的定位精度，所以采用开环控制，以达到较高的运行效果，预置位模式需要很高的 定位精度，所以采用模糊控制，加上空回补偿、停止过冲补偿以及码盘反馈，各种模式下都 采用失步检测功能。系统成本低，定位精度高，适应性好，性价比高。系统组成如附图5所
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权利要求
一种步进电机控制系统，其特征在于它由控制器、步进电机驱动器、步进电机、传动机构、负载、和光电码盘组成，所述控制器送给所述驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号并作用到所述步进电机，步进电机通过驱动机构带动负载，光电码盘反馈位置信息传给控制器。
2.如权利要求1所述的步进电机控制系统，其特征在于所述步进电机为直流5相步 进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。
3.如权利要求1所述的步进电机控制系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤a.首先控制速度，依照指数曲线速度表计算运行过程中每个阶段的速度，以实现慢速 启动，慢速停止，防止失步；b.在控制器接收到位置控制指令后，控制器首先计算出到目标位置要行进的电机步数M ；c.在运行过程中，电机接收到一个脉冲，转动一步，M减1，M不断减小，直到为0，为补 偿空回，主要是传动机构的空回，要根据码盘反馈的位置数值对M值进行校正；d.M值的校正，要根据处理器的执行速度和最高脉冲频率综合考虑，在低速时进行M值 的校正，同时对电机的速度进行重设，根据运行速度和M值进行计算，避免慢速爬行停止和骤停；e.在运行过程中，根据速度指数曲线调节速度，使其起动升速或降速停止，防止失步及 过冲，充分利用步进电机的特性，最大限度提高其运行性能，由于空回过大或其他原因如卡 制造成失步，系统具有失步检测功能，能够在调试阶段对传动机构进行有效指导，在运行阶 段可以发出故障信息便于查找问题；f.当M< 0时，电机停止运行，通过d步骤的码盘校正，已经补偿了空回的影响，但可能 存在停止过冲，所以对精度要求较高的场合和应用，还要进行过冲补偿，根据负载的惯性， 可以估计过冲停止时间K毫秒，在脉冲停止K = 100毫秒后，负载最终停止，此时根据码盘 计数值与目标位置进行比较，如果偏差大于精度要求的误差，则控制电机反向运行到目标 位置，此时因为距离很近，所以速度很低，过冲满足精度要求，此过程可进行1-3次，不会出 现震荡现象。
全文摘要
本发明公开了一种步进电机控制系统及其控制方法，它由控制器、步进电机驱动器、步进电机、传动机构、负载、和光电码盘组成，所述控制器送给所述驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号并作用到所述步进电机，步进电机通过驱动机构带动负载，光电码盘反馈位置信息传给控制器。本发明通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性。
文档编号H02P8/22GK101938241SQ20091006532
公开日2011年1月5日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者周磊 申请人:河南中光学集团有限公司