一种步进电机位置检控方法及装置与流程

本发明涉及一种检控方法及装置，特别涉及一种步进电机位置检控方法及装置。

背景技术：

卷绕装置一般通过步进电机进行控制，由步进电机拖动的卷绕装置工作时，通常需要在确定的位置范围内进行往返运动，这也就要求步进电机具有较好的小角度运转及正反转切换的能力。

现有的步进电机本身没有旋转角度的反馈，这导致其拖动的卷绕装置在到达了其两个物理限位中的任意一个时，步进电机仍在运转，从而发出噪音，直至步进电机运行完其设定角度后才开始换向运转。这样会导致运作时间过长、工作效率低、噪音污染及能源浪费。

因此，需要进行技术改进，从而可靠检测步进电机行程位置，减少复位及换向的时间，避免噪音，节省能耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种步进电机位置检控方法及装置，可靠检测步进电机行程并加以控制，减少复位及换向时间，提高工作效率，降低噪音污染和能源浪费。这种步进电机位置检控方法及装置可以应用在卷绕装置等负载上，比如纺织机。

本发明还有一个目的是提供一种步进电机位置检控装置中判断行程开关是否发生故障的方法，用于检测行程开关是否存在异常，并及时选取最佳运作流程。

为实现本发明的这些目的和其他优点，提供以下技术方案：

本发明提供一种步进电机位置检控装置，其包括:

联轴器，其联动负载输入轴和步进电机输出轴，所述负载输入轴和步进电机输出轴之间设置一驱动所述联轴器轴向移动的伸缩机构；所述联轴器上凸出设置一挡块和一弹性件，所述挡块与弹性件在轴向错开分布，所述弹性件由两块交错间隔设置的第一绝缘弹片和第二绝缘弹片构成，所述第一绝缘弹片上设置一第一触头，所述第二绝缘弹片上设置有第二触头，所述第一触头与第二触头选择性接触，所述第一触头和第二触头串联在一触发回路中；

第一行程开关，其设置在所述负载输入轴的周向第一端；

第二行程开关，其设置在所述负载输入轴的周向第二端，所述第一行程开关和第二行程开关的位置固定；

检测电路，其输入端连接所述第一行程开关和第二行程开关的输出端；

控制单元，其输入端分别连接所述检测电路和触发回路，所述控制单元输出端分别连接所述步进电机和伸缩机构；

其中，所述第一行程开关、第二行程开关与所述挡块或第一绝缘弹片处于同一圆周上，所述负载输入轴限制转动在所述第一行程开关与第二行程开关之间的范围内；当行程开关闭合时，所述检测电路端口输出一高电平信号；当所述第一触头和第二触头接触时，所述触发回路闭合并输出一高电平信号；所述控制单元根据接收到的电信号控制所述步进电机的换向过程。

优选的，所述负载输入轴和步进电机输出轴的直径一致，且同心间隔设置，所述负载输入轴和步进电机输出轴对应端头的周身沿轴向凸出设置有若干凸条。

优选的，所述联轴器为中心轴向贯穿的空心结构，所述联轴器内侧壁上沿轴向开设有若干槽道，所述联轴器两端通过所述槽道伸缩套设在所在位置处的所述凸条上。

优选的，所述负载输入轴的端头中开设一容置空腔，所述伸缩机构本体安装在所述容置空腔中，所述伸缩机构的伸缩端向外凸出于所述容置空腔，所述伸缩端与所述负载输入轴和步进电机输出轴处于同一轴心线上；所述伸缩端上设置一联动端头，所述联动端头轴向移动在所述负载输入轴和步进电机输出轴之间，所述联动端头的直径大于所述联轴器内径，且在所述联轴器中部内侧壁上沿周向开设一凹槽，所述联动端头外周设置在所述凹槽中。

优选的，正常状态时，所述挡块与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，所述挡块循环触碰所述第一行程开关和第二行程开关；当两个行程开关同时失效时，则通过所述伸缩机构控制所述联轴器轴向移动，使得所述第一绝缘弹片与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，所述第一绝缘弹片触碰所述第一行程开关或第二行程开关，使得所述第一触头与第二触头接触。

优选的，所述第二绝缘弹片端头开设一向外敞开的矩形凹腔，所述第二触头分布在所述矩形凹腔的宽度方向两侧，所述矩形凹腔的宽度方向与所在位置处的联动轴转动切线方向一致；所述第一绝缘弹片端头间隔设置在所述矩形凹腔内，且所述第一绝缘弹片端头宽度方向两侧分别设置一第一触头，所述第一触头与第二触头一一间隔对应。

优选的，步进电机每次拖动行程中，所述负载输入轴运动的初始位置设为所述第一行程开关实现完全闭合的临界位置。

一种步进电机位置检控装置的检测方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一：设定步进电机单方向的最大旋转角度为z；判断行程开关是否发生故障，如果所述行程开关状态正常，则进入步骤二进行负载复位程序；否则禁止使用故障行程开关，进入步骤七；

步骤二：控制单元控制步进电机拖动负载向复位方向运动；控制单元通过检测电路实时检测第一行程开关是否闭合，如果是则进入步骤三，若否则进入步骤四；

步骤三：延迟y秒后，控制单元控制步进电机停止旋转，进入步骤五；

步骤四：判断步进电机是否向复位方向旋转了z度，如果是则进入步骤五，否则返回步骤一；

步骤五：负载完成复位，退出复位程序，进入下一步骤；

步骤六：当检测到第一行程开关闭合时，则控制所述步进电机向第二行程开关方向旋转；当检测到第二行程开关闭合时，则控制所述步进电机向第一行程开关方向旋转；

步骤七：如果是单个行程开关故障，则控制所述步进电机向正常行程开关方向转动，直到触发正常行程开关，控制步进电机换向，之后每旋转z角度后进行换向运转；如果两个行程开关都发生故障，则控制联轴器轴向移动，使得所述第一绝缘弹片与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，控制步进电机向复位方向旋转，触发回路输出高电平，控制步进电机换向，之后每旋转z角度后进行换向运转。

优选的，所述步骤一中判断行程开关是否发生故障的方法包括如下步骤：

(a)如果对行程开关故障判断过程完成，则进入所述步骤一，否则进入步骤(b)；

(b)控制单元通过检测电路检测第一行程开关和第二行程开关的开闭情况，如果第一行程开关断开且第二行程开关断开，则判断为允许使用行程开关，进入所述步骤二；如果第一行程开关闭合第二行程开关断开，则进入步骤(c)；如果第一行程开关断开第二行程开关闭合，则进入步骤(f)；如果第一行程开关闭合且第二行程开关闭合，则禁止使用两个行程开关，进入所述步骤七；

(c)控制单元判断负载向复位相反方向旋转是否完成，是则进入步骤(e)，否则进入步骤(d)；

(d)控制单元控制步进电机拖动负载向复位相反方向旋转x度，或者第二行程开关闭合，并返回步骤(c)；

(e)控制单元通过检测电路检测第一行程开关是否断开，是则判断为允许使用行程开关，进入步骤二，否则判断为第一行程开关故障，进入步骤七；

(f)控制单元判断负载向复位方向旋转是否完成，是则进入步骤(h)，否则进入步骤(g)；

(g)控制单元控制步进电机拖动负载向复位方向旋转x度，或者第一行程开关闭合，并返回步骤(f)；

(h)控制单元通过检测电路检测第二行程开关是否断开，是则判断为允许使用行程开关，进入步骤二；否则判断为第二行程开关故障；进入步骤七。

优选的，所述y处于3～8秒之间，z处于100～200度之间，x处于30～80度之间。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

1.本发明可节省复位及换向时间，提高工作效率，节省能源；

2.降低噪音污染；

3.及时发现行程开关异常，选择系统最优运作流程。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明步进电机位置检控装置的结构图；

图2是本发明步进电机位置检控电路的示意图；

图3是本发明检控装置的检控方法的流程图；

图4是行程开关故障时区分控制的流程图；

图5是负载输入轴和步进电机输出轴的结构图；

图6是联轴器侧视图；

图7是第一行程开关、第二行程开关与挡块处于同一圆周上时的结构图；

图8是第一行程开关、第二行程开关与第一绝缘弹片处于同一圆周上时的结构图；

图9是第一绝缘弹片与第二绝缘弹片的连接剖视图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明步进电机位置检控装置是将第一行程开关和第二行程开关固定设置在负载输入轴100的周向第一端和周向第二端，检测电路的输入端连接所述第一行程开关和第二行程开关的输出端。检测电路将检测到的第一行程开关和第二行程开关的开闭信号反馈至单片机，单片机通过驱动电路对步进电机进行控制。

具体的，本发明中，负载输入轴100和步进电机输出轴200之间间隔设置，通过一联轴器400联动负载输入轴100和步进电机输出轴200，所述负载输入轴100和步进电机输出轴200之间设置一驱动所述联轴器400轴向移动的伸缩机构300。

所述负载输入轴100和步进电机输出轴200的直径一致，且同心间隔设置，所述负载输入轴100和步进电机输出轴200对应端头的周身沿轴向凸出设置有若干凸条110、210，具体的，在负载输入轴100上设置有凸条110，在步进电机输出轴200上对应设置有凸条210。

同时，所述联轴器400为中心轴向贯穿的空心结构，联轴器400的内径与负载输入轴100和步进电机输出轴200的直径一致，所述联轴器400内侧壁上沿轴向开设有若干槽道440，所述联轴器400两端通过所述槽道440伸缩套设在所在位置处的所述凸条110、210上，为联轴器400的轴向移动提供导向，并且使得联轴器400、负载输入轴100和步进电机输出轴200同步转动。

所述负载输入轴100的端头中开设一容置空腔120，所述伸缩机构300本体安装在所述容置空腔120中，所述伸缩机构300的伸缩端向外凸出于所述容置空腔120，所述伸缩端与所述负载输入轴100和步进电机输出轴200处于同一轴心线上；所述伸缩端上设置一联动端头310，所述联动端头310轴向移动在所述负载输入轴100和步进电机输出轴200之间。同时，所述联动端头310的直径大于所述联轴器400内径，且在所述联轴器400中部内侧壁上沿周向开设一凹槽450，所述联动端头310外周设置在所述凹槽450中，从而使得联动端头310与联轴器400同步轴向移动，当伸缩机构300驱动联动端头310轴向移动时，即可同步带动联轴器400轴向移动，以调整联轴器400的轴向位置。

在所述联轴器400上凸出设置一挡块410和一弹性件，挡块410和一弹性件与联轴器400同步转动。所述挡块410与弹性件在轴向错开分布，所述弹性件由两块交错间隔设置的第一绝缘弹片420和第二绝缘弹片430构成，所述第一绝缘弹片420上设置一第一触头421，所述第二绝缘弹片430上设置有第二触头432，所述第一触头421与第二触头432选择性接触，所述第一触头421和第二触头432串联在一触发回路中。

具体的，所述第二绝缘弹片430端头开设一向外敞开的矩形凹腔431，所述第二触头432分布在所述矩形凹腔431的宽度方向两侧，所述矩形凹腔431的宽度方向与所在位置处的联动轴400转动切线方向一致；所述第一绝缘弹片420端头间隔设置在所述矩形凹腔431内，且所述第一绝缘弹片420端头宽度方向两侧分别设置一第一触头421，所述第一触头421与第二触头432一一间隔对应。

第一触头421通过导线422串联在触发回路中，第二触头432通过导线433串联在触发回路中，正常状态时，所述第一触头421与第二触头432间隔设置，当所述第一触头421和第二触头432接触时，所述触发回路闭合，并输出一高电平信号。

上述技术方案中，第一行程开关设置在所述负载输入轴100的周向第一端；第二行程开关设置在所述负载输入轴100的周向第二端，所述第一行程开关和第二行程开关的位置固定，检测电路输入端连接所述第一行程开关和第二行程开关的输出端，用于检测行程开关的开、闭状态。

控制单元，即单片机的输入端分别连接所述检测电路和触发回路，所述控制单元输出端分别连接所述步进电机和伸缩机构300。当其中一个行程开关闭合时，所述检测电路端口输出一高电平信号。

所述第一行程开关、第二行程开关与所述挡块410或第一绝缘弹片420处于同一圆周上，所述负载输入轴100被限制转动在所述第一行程开关与第二行程开关之间的范围内；所述控制单元根据接收到的电信号控制所述步进电机的换向过程。

正常状态时，所述挡块410与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，所述挡块410循环触碰所述第一行程开关和第二行程开关，从而使得所述负载输入轴100被限制转动在所述第一行程开关与第二行程开关之间的范围内。

当两个行程开关同时失效时，则通过所述伸缩机构300控制所述联轴器400轴向移动，使得所述第一绝缘弹片420与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，随着负载输入轴100的转动，所述第一绝缘弹片420触碰所述第一行程开关或第二行程开关，使得所述第一触头421与第二触头432接触，触发回路闭合，并输出一高电平信号。

步进电机位置检控装置的检测方法，具体包括如下步骤：

步骤一：设定步进电机单方向的最大旋转角度为z，本实施例中，z为185度；判断行程开关是否发生故障，如果所述行程开关状态正常，则进入步骤二进行负载复位程序；否则禁止使用故障行程开关，并进入步骤七；

步骤二：控制单元控制步进电机拖动负载向复位方向运动，本实施例中，步进电机每次拖动行程中，所述负载输入轴运动的初始位置设为所述第一行程开关实现完全闭合的临界位置，复位方向即为第一行程开关方向。控制单元通过检测电路实时检测第一行程开关是否闭合，如果是则进入步骤三，若否则进入步骤四；

步骤三：由于负载输入轴与实际初始位置之间还可能还存在一点空位，负载输入轴没有完全到达限位，所以延迟6秒后，控制单元控制步进电机停止旋转，让负载输入后达到实际初始位置，进入步骤五；

步骤四：判断步进电机是否向复位方向旋转了185度，如果是则进入步骤五，否则返回步骤一；

步骤五：负载完成复位，退出复位程序，进入下一步骤；

步骤六：当检测到第一行程开关闭合时，则控制所述步进电机向第二行程开关方向旋转；当检测到第二行程开关闭合时，则控制所述步进电机向第一行程开关方向旋转，也就是所述控制单元根据接收到的电信号控制所述步进电机的换向过程；

步骤七：如果是单个行程开关故障，则控制所述步进电机向正常行程开关方向转动，直到触发正常行程开关，控制步进电机换向，之后每旋转185角度后进行换向运转，根据步进角度来控制步进电机的换向过程；如果两个行程开关都发生故障，则控制联轴器400轴向移动，使得所述第一绝缘弹片420与所述第一行程开关、第二行程开关处于同一圆周上，控制步进电机向复位方向旋转，触发回路输出高电平，控制步进电机换向，之后每旋转185角度后进行换向运转，根据步进角度来控制步进电机的换向过程；

步骤一中判断行程开关是否发生故障的方法包括如下步骤：

(a)如果对行程开关故障判断过程完成，则进入所述步骤一，否则进入步骤(b)；

(b)控制单元通过检测电路检测第一行程开关和第二行程开关的开闭情况，第一行程开关断开且第二行程开关断开，则判断为允许使用行程开关，进入所述步骤二；第一行程开关闭合第二行程开关断开，则进入步骤(c)；第一行程开关断开第二行程开关闭合，则进入步骤(f)；第一行程开关闭合且第二行程开关闭合，由于无法判断负载输入轴位置以及到底是单个行程开关故障还是两个行程开关都发生故障，因此无法简单通过负载输入轴的转动来判断行程开关故障真实情况，所以在此情况下，认定为两个行程开关都发生故障，同时禁止使用两个行程开关，进入所述步骤七；

(c)控制单元判断负载向复位相反方向旋转是否完成，是则进入步骤(e)，否则进入步骤(d)；

(d)控制单元控制步进电机拖动负载向复位相反方向旋转57度，或者在转动过程中第二行程开关闭合，则返回步骤(c)；

(e)控制单元通过检测电路检测第一行程开关是否断开，是则判断为允许使用行程开关，进入步骤二，否则判断为第一行程开关故障，进入步骤七，控制所述步进电机向第二行程开关方向转动，直到触发第二行程开关，控制步进电机换向，之后每旋转185角度后进行换向运转，根据步进角度来控制步进电机的换向过程；

(f)控制单元判断负载向复位方向旋转是否完成，是则进入步骤(h)，否则进入步骤(g)；

(g)控制单元控制步进电机拖动负载向复位方向旋转57度，或者在转动过程中第一行程开关闭合，则返回步骤(f)；

(h)控制单元通过检测电路检测第二行程开关是否断开，是则判断为允许使用行程开关，进入步骤二；否则判断第二行程开关故障；进入步骤七，控制所述步进电机向第一行程开关方向转动，直到触发第一行程开关，控制步进电机换向，之后每旋转185角度后进行换向运转，根据步进角度来控制步进电机的换向过程。

由上所述，本发明中，正常状态下，当负载运动至第一物理限位时，第一行程开关吸合，当负载运动至第二物理限位时，第二行程开关吸合，通过检测电路将吸合信号传递给单片机，单片机控制步进电机停止运转或换向运转，避免步进电机继续按原方向旋转带来刺耳噪音，同时也可以节约负载复位及往返过程中换向所用的时间。

允许使用行程开关时，每次复位寻找第一物理限位，步进电机朝着卷绕装置复位方向旋转，检测到第一行程开关闭合，则延时6秒后停止步进电机旋转，完成复位；正常运转情况下，每次检测到第二行程开关闭合，则控制步进电机向第一行程开关方向运转；每次检测到第一行程开关闭合，则控制步进电机向第二行程开关方向运转。

当形成开关故障时，禁止使用故障行程开关，设定最大旋转角度185度，每次复位寻找第一物理限位，步进电机朝着卷绕装置复位方向旋转，检测到已旋转185度，则停止步进电机旋转，完成复位；复位完成后，正常运转情况下，每次检测到已旋转185度，则控制步进电机开始反向运转，通过固定的步进角度来控制步进电机的转向。

所述驱动电路为直接驱动步进电机的芯片构成的电路，具有驱动、功率放大的作用。所述步进电机一般采用220v的步进电机，用来控制大型纺织机的卷绕装置。所述第一行程开关和第二行程开关用来检测卷绕装置的行程位置，为常开的开关。

请一并参阅图2所示的具体电路示意图，图中cn1是一个连接端子，连接到驱动卷绕装置的步进电机；cn2是一个连接端子，连接到第一行程开关；cn3是一个连接端子，连接到第二行程开关；r1～r6的左端连接到控制ic的引脚。

检测原理：常态下，r5左端连接的ic引脚检测到低电平，r6左端连接的ic引脚检测到低电平：步进电机驱动的卷绕装置运行到其第一物理限位时，第一行程开关闭合，r5左端连接的ic引脚检测到高电平，r6左端连接的ic引脚检测到低电平；步进电机驱动的卷绕装置运行到第二物理限位时，第二行程开关闭合，r5左端连接的ic引脚检测到低电平，r6左端连接的ic引脚检测到高电平。

所述检测电路和控制单元集成在同一块电路板上。所述第一行程开关和第二行程开关型号均是tblx-me-8108。所述控制单元为单片机，单片机型号是stc89c51。

故障判断在步进电机驱动的卷绕装置正常运行前实施，确定第一行程开关和第二行程开关都能正常断开后，判定第一行程开关和第二行程开关均无短路故障，步进电机开始正常驱动卷绕装置运行；如果第一行程开关和第二行程开关中存在任意一个无法正常断开，则判定该轻触开关有短路故障，不使用轻触开关判定行程位置，按照最大设置角度进行复位及换向，或者显示相应的故障代码，提醒用户行程开关有短路故障。

本发明通过设置第一行程开关、第二行程开关和检测电路，将吸合信号传递给单片机，单片机控制步进电机停止运转或换向运转，避免步进电机继续按原方向旋转带来刺耳噪音，同时也可以节约负载复位及往返过程中换向所用的时间。同时，通过设置第一触头、第二触头和触发回路，使得步进电机在形成开关失效的情况下正常运转，为负载的安全运行提供保障。由此可知，本发明可节省复位及换向时间，提高工作效率，节省能源，同时可以减少噪音污染，并能及时发现行程开关异常，选择系统最优运作流程，保障负载和电机的正常运行。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。