一种步进电机丢步检测方法

一种步进电机丢步检测方法
【专利摘要】本发明提供一种步进电机丢步检测方法。检测步进电机的每相电流。当每相电流的畸变符合预制条件时，判断步进电机丢步。其中，通过以下方式检测步进电机的相电流：在步进电机每相回路中串联一段阻值精确的康铜丝。经过放大单元，对康铜丝两端的电流信号进行放大。经过滤波单元，滤除电流信号中由于开关元件作用产生的高频谐波成分。经过AD转换器，采集将电流的模拟信号转换为数字信号。经过光电耦合器，实现采样检测电路的电隔离。另一种方法是将电流信号直接送到数字信号控制器中；其中，判断步进电机丢步的预设条件为：在步进电机转动一个步距角的过程中，实际相电流超出了预定范围。
【专利说明】一种步进电机丢步检测方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机领域，特别是涉及步进电机的丢步检测。

【背景技术】
[0002] 步进电机是将步进脉冲信号转变为角位移的执行机构，常被应用于精密定位的场 合。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于步进脉冲信号的频率和个数，而 不受负载变化的影响。当步进电机驱动器接收到一个步进脉冲信号时，它便驱动步进电机 按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。但是，当步进电机在遇到负载突变、转子 低频振荡等特殊状态时，将会出现电机转子前进的步数小于步进脉冲信号数的现象，造成 位置控制的误差，这种现象称为步进电机的丢步。通常一次丢步的步距数等于运行拍数的 整数倍。丢步严重时，电机转子停滞在一个位置上或围绕一个固定位置抖动，发生堵转现 象，造成严重的后果。
[0003] 因此，步进电机丢步时必须停转，以避免严重后果的发生。准确、经济、快速地判定 出步进电机丢步，是本领域技术人员热衷研究的课题。现有技术中，特别是在控制精度要求 较高的场合下，是采用安装编码器的有速度传感器的方式进行转子位置检测，虽然可以达 到闭环控制的目的，但会大幅增加步进电机驱动系统的成本和开发难度。
[0004] 有方案是通过衡量脉冲宽度是否符合预置条件，以检验出电机是否丢步的方法。 但正如该方案的
【发明者】所说的那样，该方案需要根据实际经验或实验数据获得所谓的预置 条件。导致了该方案的通用性不强。另外，还有人提出通过根据步进电机转动时A、B相的 反电动势判定丢步的方法。但是，经过分析可以发现，开关电路直接控制每相绕组的端电 压，通过端电压不能检测步进电机转子位置的变化。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的是解决在不安装编码器的前提下准确判定步进电机丢步的问题。
[0006] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种步进电机丢步检测方法，其 特征在于：
[0007] 在步进电机的每相中串联一段电阻值为定值的取样电阻康铜丝。这个取样电阻在 步进电机驱动器中是必须安装的，以控制流过步进电机每相的电流值。因此为实现本发明 一种步进电机丢步检测方法不需要增加硬件成本，只需增加一个控制算法的软件程序在步 进电机驱动控制器中即可实现。
[0008] 1)在数字信号控制器（DSC)(本专利也包含微处理器或单片机）向步进电机发出 一个步进脉冲信号前，设置相电流的预设值；当步进电机接收到此步进脉冲信号时，将转动 一个步距角，即前进一步；在转动的过程中，采集经过步进电机中每相回路中的康铜丝的电 流号。
[0009] 2)在所述数字信号控制器向步进电机发出下一个步进脉冲信号前，获取步骤1) 中采集到的每相回路电流信号的多次采样值；获得电流的波形信号丟步的特征信息；
[0010] 3)若任意一相回路的电流信号多次（至少三次）采样值获得的丟步特征信息超出 正常预设值的范围，则可判定步进电机发生丢步。值得说明的是，数字信号控制器发出的步 进脉冲信号与步进电机的每相电流信号一一对应，因此，可以确认丢步的步数，从而可以实 现位置闭环，而不需要增加位置传感器，构成无速度传感器的速度位置闭环控制系统。
[0011] 进一步，步骤1)中，采集到电流信号后，先对其进行放大，再对其进行滤波处理， 以滤除开关元件产生的高频谐波成分。
[0012] 进一步，将经过滤波和放大处理的所述电流信号传递给所述数字信号控制器。通 过所述数字信号控制器进行步骤2)和步骤3)的处理和判定。
[0013] 本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明不需要使用位置传感器即可检测步进电 机丢步的方法，在现有的开环驱动电路上仅仅增加了软件便可以检测步进电机是否发生丢 步。本发明可以实时监控步进电机的工作，对丢步现象立即做出判定，而且不必安装成本高 昂的位置传感器，节约了成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1步进电机开环驱动电路。
[0015] 图2本发明公开的检测步进电机丢步的闭环驱动电路。
[0016] 图3相电流处理电路框图。
[0017] 图4相电流处理电路图。
[0018] 图5预设值设置流程。
[0019] 图6图上方为正常AB相电流波形、图下方为丢步AB相波形。

【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题 范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知 识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0021] 本实施例公开一种两相步进电机丢步检测方法，
[0022] 参见图2和图4,本发明在如图1所示的步进电机开环驱动电路的基础上，提出了 一种能够检测步进电机丢步的闭环驱动控制方法。
[0023] 该驱动电路中包括一个两相（A相和B相）步进电机。所述步进电机通过数字信号 控制器和功率驱动电路驱动。在步进电机的A相和B相中各串联一段康铜丝的取样电阻。
[0024] 该驱动电路包括：电压检测装置、放大电路、滤波电路、AD转换器和光电耦合器。 康铜丝中的电流信号依次经过放大电路、滤波电路和AD转换器后，再进入光电耦合器的输 入端。而光电耦合器的输出端又与数字信号控制器相连（光电隔离），由此形成一个闭环驱 动电路。
[0025] 1)数字信号控制器向步进电机发出一个步进脉冲信号前，设置相电流的预设值。 值得说明的是，步进电机正常工作时，在由某一相转动到另一相的过程中，前一相电流会由 额定电流值变为零，而后一相电流则会由零变为额定值。对某一相而言，预设的数值范围 可由该电机所旋转步的状态确定，其相关确定流程如图5所示。当控制器发出使步进电机 转向下一步的步进脉冲信号时，产生控制动作中断，中断中根据下一步的电流状态设置A、B 相电流的预设值，然后退出中断即可完成对每一步预设值的设定。
[0026] 步进电机接收到数字信号控制器发出的一个步进脉冲信号时，转动一个步距角。 在转动的过程中，采集经过每相回路中的取样电阻康铜丝的电流或电压信号。由于，康铜丝 的电阻已经知道，因此，此时可以获得A相和B相中的康铜丝的电流信号I A和IB。
[0027] 将电流信号IA和IB进行放大，再对其进行滤波处理，以滤除开关元件产生的高频 谐波成分。实施例中，信号放大电路采用如图4所示的由两个NPN型三极管组成的差分放 大电路，有效滤除共模干扰，起到对采样信号的放大作用。有源滤波电路为Butterworth型 低通滤波器，用于滤除开关电路作用产生的高次谐波。
[0028] 将经过滤波和放大处理的所述电流信号14和IB转换为数字信号后，传递给光电耦 合器的输入端。将所述光电耦合器的输出端产生的信号1#和I B#传递给所述数字信号控制 器，以进行下一步判定。
[0029] 2)获取信号1#和IB#的上下限。即能够通过计算得到步骤1)中，因数字信号控 制器发出步进脉冲信号，A、B相的康铜丝中实际产生的相电流的上下限。本实施例中，数字 信号控制器主要使用两个普通10 口作为输入引脚。可以通过编程实现上述运算过程。
[0030] 3)若A、B相的康铜丝中实际产生的相电流的上下限超出所述预设值的范围，则可 判定步进电机发生丢步。即判定步进电机丢步。
【权利要求】
1. 一种步进电机丢步检测方法，其特征在于： 在步进电机的每相中串联一段电阻值为定值的康铜丝作为取样电阻，用于检测步进电 机的每相绕组电流值； 1) 在数字信号控制器向步进电机发出一个步进脉冲信号前，设置相电流的预设值；当 步进电机接收到此步进脉冲信号时，将转动一个步距角，即前进一步；在转动的过程中，采 集经过每相回路对应的取样电阻康铜丝上的电压得到步进电机每相的电流信号的多次采 样值； 2) 在所述数字信号控制器向步进电机发出下一个步进脉冲信号前，将获取步骤1)中 采集到的每相回路电流信号的多次采样值；获得电流的波形信号丟步的特征信息； 3) 若任意一相回路的电流信号的多次采样值获得的丟步特征信息超出正常预设值的 范围，则可判定步进电机发生丢步现象。
2. 根据权利要求1所述的一种步进电机丢步检测方法，其特征在于：步骤1)中，采集 到对应的步进电机每相电流的康铜丝上的电压信号后，先对其进行放大，再对其进行滤波 处理，以滤除开关元件产生的高频谐波成分。
3. 根据权利要求2所述的一种步进电机丢步检测方法，其特征在于：将经过滤波和放 大处理的所述电流信号传递给所述数字信号控制器；通过所述数字信号控制器进行步骤 2)和步骤3)的处理和判定。
【文档编号】H02P8/34GK104092419SQ201410355750
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】刘和平, 周宇, 涂郁潇颖, 赵宗政, 曾宇航, 程章格, 谷若雨, 李雨蔓, 李志闯, 余传祥, 邓力 申请人:重庆大学