一种双步进电机负载阻尼控制方法与流程

1.本技术涉及双电机驱动技术领域，具体而言，涉及一种双步进电机负载阻尼控制方法。


背景技术：

2.空间机电类产品往往具有高可靠性的特殊要求，为满足这一要求，一个驱动机构通常采用双电机相互冗余备份的方式设计。同一时间只有一台电机处于加电工作状态，机构加电默认工作的电机称为主电机，另一台电机称为备电机，当主电机发生故障时系统自动切换到备电机，以保证机构的可靠动作。
3.主备电机在安装结构上设计为轴向串联方式，当其中一台电机加电工作时另外一台电机处于从动跟随模式，被带着和主动电机一起转动，称为从动电机。有一种应用场景是需要在机构工作时调节工作电机负载阻尼的大小，通常的做法是采用离合器实现负载阻尼可变。考虑到成本、可靠性和机构复杂度等因素，设计了一种双步进电机驱动机构中的负载阻尼控制方法，实现负载阻尼可变的控制方法。
4.在主备双步进电机驱动机构中，其中一台电机加电转动时，处于从动跟随模式的步进电机的转子在其内部做切割磁感线运动，会在其线圈两端产生感应电动势，感应电动势的大小和相位与电机转子的转动速度、方向有关。机构转动过程中，若从动电机的线圈两端开路，则从动电机的阻力主要是转子惯性和轴承摩擦等固有阻力。如果将从动电机的线圈短接，感应电流会被短路，在其内部会形成反向磁场，该反向磁场会阻碍从动电机的转动，产生除固有阻力之外的电磁阻力，这种电磁阻力的大小与线圈中的反向电流大小呈正相关。
5.在电机加电工作时，从动电机、机构负载均可视为主动电机的负载，电机在匀速转动时从动电机两端产生的感应电动势是稳定的，若在从动电机线圈两端串接不同阻值的电阻，调节感应线圈中反向电流的大小，进而实现改变电磁阻力的目的，调节从动电机的阻尼，即可实现对主动电机负载阻尼的调节。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种双步进电机负载阻尼控制方法，通过对从动电机两个线圈分别串接不同阻值的功率电阻，实现对主动电机施加不同负载阻力的效果，达到实现负载阻尼可变的目的。
7.为了实现上述目的，本技术提供了一种双步进电机负载阻尼控制方法，包括如下步骤：步骤1：选择两台相同的电机，一台为主动电机，另一台为备用电机；步骤2：将主动电机的转轴与备用电机转轴的一端通过联轴器连接，备用电机转轴的另一端与机构负载连接；步骤3：将备用电机内部的线圈通过负载电阻与控制电路连接；步骤4：将主动电机与供电电源连接；步骤5：启动电源，主动电机正常转动，备用电机跟随主动电机转动；步骤6：调节主动电机，使备用电机匀速转动，通过控制电路调节备用电机负载电阻的阻值，实现对主
动电机负载阻尼的调节。
8.进一步的，在步骤3中，备用电机内部的线圈为多组。
9.进一步的，负载电阻为晶体管或者功率三极管或者绝缘栅双极型晶体管。
10.进一步的，在步骤3中，控制电路包括单片机、脉冲宽度调制发生器以及驱动电路。
11.进一步的，在步骤6中，通过控制电路调大备用电机负载电阻的阻值，则备用电机线圈内部的电流会变小，线圈内部产生的反向磁场会变弱；通过控制电路调小备用电机负载电阻的阻值，则备用电机线圈内部的电流会变大，线圈内部产生的反向磁场会变强。
12.本发明提供的一种双步进电机负载阻尼控制方法，具有以下有益效果：
13.本技术在不改变原机械结构的基础上实现对双步进电机负载阻尼可变的控制，不增加额外的传感器，通过设置控制电路进行负载阻尼的调节，相较于传统离合器调节的方式，成本更低，可靠性更高，采用工作在线性区的晶体管作为负载电阻，阻值线性可变，响应速度快，控制精准，调节过程中，阻力能量以热量的方式通过晶体管的散热片散发，控制电路只消耗微弱的功率，此外，通过纯电子电路实现自动调节主动电机负载，由于电子零部件工作时不存在机械磨损，因此寿命长，免维护，还可以在控制电路上集成控制算法，实现对负载阻尼的精准控制。
附图说明
14.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
15.图1是根据本技术实施例提供的主动电机、备用电机及机构负载连接的示意图；
16.图2是根据本技术实施例提供的备用电机内部线圈连接的示意图；
17.图中：1-主动电机、2-备用电机、3-机构负载、4-线圈、5-控制电路、6-负载电阻。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装
置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
21.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
22.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
24.如图1所示，本技术提供了一种双步进电机负载阻尼控制方法，包括如下步骤：步骤1：选择两台相同的电机，一台为主动电机1，另一台为备用电机2；步骤2：将主动电机1的转轴与备用电机2转轴的一端通过联轴器连接，备用电机2转轴的另一端与机构负载3连接；步骤3：将备用电机2内部的线圈4通过负载电阻6与控制电路5连接；步骤4：将主动电机1与供电电源连接；步骤5：启动电源，主动电机1正常转动，备用电机2跟随主动电机1转动；步骤6：调节主动电机1，使备用电机2匀速转动，通过控制电路5调节备用电机2负载电阻6的阻值，实现对主动电机1负载阻尼的调节。
25.具体的，当机构运动结束时直接关闭主动电机1的电源，由于负载惯性的作用，会带着电机旋转一定时间后才停止，这个时间长短取决于负载的大小，因此主动电机1停止加电后，利用备用电机2的负载阻尼调节功能，可以实现在可控的时间内任意时间的停止，此外，在有些应用场景中，负载惯性的大小是随时间变化的，在主动电机1电流没有发生改变的情况下，机构转速会越来越高，存在飞车隐患，利用负载阻尼控制可以用来反向补偿实际变轻的负载，可以尽可能的将机构转速限定在受控范围内，并且直接控制主动电机1负载的阻尼需要对给电机供电的驱动电路做较大更改，结构会更加复杂，不利于在现有设备上升级，所以设计通过调节备用电机2的负载阻尼从而间接实现对主动电机1负载阻尼调节的技术方案。
26.更具体的，在轴向串联的双步进电机机构中，备用电机2跟随主动电机1进行转动时，线圈4两端会产生感应电动势，该感应电动势的大小和方向与电机的转速有关，主动电机1在转动过程中，会对备用电机2线圈4两端施加阻性负载，将其内部线圈4与外部电阻形成完整的闭合回路，由于感应电流的作用，其内部会产生反向磁场，这种磁场会阻碍备用电机2的转动，本技术实施例提供的双步进电机负载阻尼控制方法，正是利用这一特性，采用工作在线性区的晶体管及其控制电路5充当可变的阻性负载，从而实现对双步进电机负载阻尼的控制。在本技术实施例中，两台电机互为备份，两台电机的转轴通过联轴器串行连接，“主动”和“备用”是相对而言，即系统启动时优先工作的电机称为“主动电机1”，另一台则称为“备用电机2”，不存在指定位置或连接顺序上的先后关系。主动电机1在工作时需要与供电电源连接，并且消耗一定的电源功率，而备用电机2在工作时是跟随主动电机1进行转动的，不需要连接电源，不消耗任何电源功率。机构负载3与备用电机2通过联轴器连接，是电机扭矩的主要施加对象。
27.进一步的，在步骤3中，备用电机2内部的线圈4为多组。备用电机2内部设置多组线圈4，每组线圈4都可以配置一个控制电路5和负载电阻6，或者通过继电器将多组线圈4并联设置，通过一个总的控制电路5来实现调节控制。
28.进一步的，如图2所示，负载电阻6为晶体管或者功率三极管或者绝缘栅双极型晶
体管。在本技术实施例中，负载电阻6优选为晶体管，晶体管的输入端与控制电路5连接，另外两端与备用电机2的线圈4两端连接，主要由于晶体管工作在线性区，阻值线性可变，通过控制电路5能够控制其导通深度，响应速度快，实现精确调节主动电机1负载阻尼的目的。
29.进一步的，在步骤3中，控制电路5包括单片机、脉冲宽度调制发生器以及驱动电路。控制电路主要用于调整晶体管的阻值，从而实现对主动电机1负载阻尼的调节。控制过程主要是由单片机接收上位机发送的数据，将数据转换为pwm(脉冲宽度调制)的占空比信号，pwm信号经驱动电路进行放大后送到晶体管的驱动极实现控制。
30.进一步的，在步骤6中，通过控制电路5调大备用电机2负载电阻6的阻值，则备用电机2线圈4内部的电流会变小，线圈4内部产生的反向磁场会变弱；通过控制电路5调小备用电机2负载电阻6的阻值，则备用电机2线圈4内部的电流会变大，线圈4内部产生的反向磁场会变强。在本技术实施例中，由于备用电机2的转动是由外力驱动的，转动时其内部的线圈4两端会产生感应电动势，并且产生的感应电动势比较稳定，此时，如果在备用电机2匀速转动时，在线圈4的两端串接不同阻值的电阻，就可以调节线圈4中的电流，线圈4内部产生的反向磁场大小也会随之改变，这种反向磁场会阻碍电机的转动，备用电机2转动时其内部反向阻力的大小与线圈4中的感应电流和线圈4串接的外部电阻的阻值线性相关，例如，当备用电机2转速恒定时，备用电机2的转速优选为匀速转动，但是也可以根据实际情况进行速度的选择，不超过限定的最高转速即可，通过控制电路5调大备用电机2负载电阻6的阻值，则备用电机2线圈4内部的电流会变小，线圈4内部产生的反向磁场会变弱；通过控制电路5调小备用电机2负载电阻6的阻值，则备用电机2线圈4内部的电流会变大，线圈4内部产生的反向磁场会变强。因此，通过调节备用电机2线圈4的外接负载电阻6的阻值可以实现对主动电机1负载阻尼的调节。
31.更进一步的，在本技术另一个实施例中，两个电机内部的线圈均和控制电路5以及晶体管连接，加电时，主动电机1工作，其内部线圈被供电占用，备用电机2跟随转动，其内部线圈处于闲置状态，则备用电机2的线圈受到控制电路5以及晶体管的控制，如果根据实际情况需要备用电机2加电工作，而主动电机1进行闲置，那么备用电机2的线圈被供电占用，此时主动电机1的线圈受到控制电路5以及晶体管的控制。总的来说就是哪个电机闲置，哪个电机内部的线圈就会受到控制电路5以及晶体管的控制，从而实现对另一个电机负载阻尼的控制。
32.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。