一种步进电机位置闭环控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种步进电机位置闭环控制系统及方法，属于步进电机控制技术领域，特别涉及一种为实现位置跟踪系统的闭环动态控制方法，以及用于实现该方法的基于嵌入式开发的步进电机位置控制系统。本发明专利技术的梯形分段控制和分段位置式PID控制针对不同情况下运动的特点，通过动态参数来修改控制策略，这种非线性控制极大地保证了位置过渡的稳定性、快速性。电机的半步控制使得电流矢量可以平滑地得到电机的扭矩，降低了电机绕组电流变化时产生的噪声，缓解了电机低俗状态下的谐振现象。细分使得控制精度显著提升，电机每步的细分数越多，控制精度越高，通过目标细分数的补偿克服了外部原因引起的控制周期时间不确定的问题。了外部原因引起的控制周期时间不确定的问题。了外部原因引起的控制周期时间不确定的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种步进电机位置闭环控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种步进电机位置闭环控制系统及方法，属于步进电机控制
，特别涉及一种为实现位置跟踪系统的闭环动态控制方法，以及用于实现该方法的基于嵌入式开发的步进电机位置控制系统。

技术介绍

[0002]在步进电机控制系统中，为了能够实现对电机位置的控制，往往采用开环控制，只要保证步进电动机在应用时的扭矩和速度不超过性能要求，就可以使用开环控制器对步进电机的保持位置进行控制，而无需反馈系统。然而，步进电机开环控制容易受到外部干扰，一旦出现误差，无法补偿，就会出现丢步，此外，步进电机开环控制容易引发低频共振，电机低速运行时振动噪音较大。开环使得控制器不能及时进行调整，进而导致控制效果不理想，如果想要进一步提升步进电机的控制精度，必须引入闭环控制方法。与开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优势。在闭环控制系统中，无论是外部故障或内部系统出现偏差，如果控制量偏离指定值，都会产生相应的控制效果以消除偏差。因此，闭环控制可以抑制干扰，对部件特性的变化不敏感，并且可以改善系统的响应特性。
[0003]目前的闭环控制系统，在硬件上有许多使用DSP或FPGA作为主控芯片，在软件上多使用单闭环控制系统，即仅对速度或位置进行单闭环控制。其优点为硬件成本较低，鲁棒性更好，但存在编程复杂、通用性差、控制器体积过大等问题，在目前模块化、集成化的时代趋势面前，逐渐不能满足应用场景的需求。因此，开发设计一款集成度高、且易于维护升级的步进电机驱动系统，使用位置速度双闭环控制，实现步进电机位置的调控，进一步提高控制精度，控制速度及平稳度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种步进电机位置闭环控制系统及方法，用以解决步进电机位置跟踪控制问题，实现在最大速度范围内、任意位置的步进电机控制，提高位置控制的精度和稳定性。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种步进电机位置闭环控制系统，该闭环控制系统包括上位机、控制任务处理模块、位置跟踪模块、电机驱动模块和磁编码器模块；
[0007]所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入控制目标；
[0008]控制目标包括角度位置θ0(rad)、加速最大角速度ω0(/)以及角加速度2
[0009]α(/)；
[0010]所述的控制任务处理模块用于接收上位机输出的控制目标，并对接收到的控制目标进行解算，然后将解算结果输出给位置跟踪模块；
[0011]对接收到的控制目标进行解算的方法是指将上位机输入的角度位置最
大角速度以及角加速度数据转换为相应的细分数，具体为：设步进电机的步数为n，对每步进行m细分，则相应的角度位置、角速度与角加速度的细分数分别为设β＝n/2π，即解算结果为
[0012]所述的位置跟踪模块用于接收控制任务处理模块输出的解算结果，还用于接收磁编码器数据补偿模块输出的补偿位置信息和补偿速度信息，并根据接收到的解算结果、补偿位置信息和补偿速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块；
[0013]进行位置解算时采用分段位置式PID策略，对传统的位置式PID控制算法进行了改进，提出了一种微步的、动态参数的步进电机位置控制算法，步骤如下：
[0014]步骤S1：获取步进电机目标角度位置θ0、最大速度ω0、加速度α；
[0015]步骤S2：获取当前步进电机的实时位置θ
i
和实时速度ω
i
；
[0016]步骤S3：计算目标位置与实时位置的差值Δθ
i
，将差值Δθ
i
与预设的步进电机位置回归距离θ
d
进行比较，若Δθ
i
＞θ
d
，进入步骤S4，若Δθ
i
≤θ
d
进入步骤S5；
[0017]步骤S4：则使用梯形分段策略确定此差值对应的速度控制方法。梯形分段控制包含三个模式：加速模式、匀速模式、减速模式，计算以ω0为初速度，α为加速度，末速度为0的匀变速运动的角位移量θ
a
，根据Δθ
i
与ω
i
判断工作模式：若Δθ
i
＞θ0‑
θ
a
且ω
i
＜ω0，则电机模式为匀加速模式，以恒定加速度α进行加速；若Δθ
i
＞θ0‑
θ
a
且ω
i
＝ω0，则电机模式为匀速模式，以恒定速度ω0运动；若θ
d
＜Δθ
i
≤θ0‑
θ
a
，则电机模式为匀减速模式，以恒定加速度α进行减速；
[0018]步骤S5：使用分段位置式PID策略，使电机位置迅速回归至目标位置；
[0019]步骤S6：将控制量以参考电压的形式输出到两相步进电机的驱动芯片，并由输入电压的正负控制电机的转动方向；
[0020]步骤S7：重复步骤S2～S6，使得电机实时位置不断趋近于目标位置。
[0021]优选的，所述步骤S1中设定的加速度，不能超过电机本身特性所决定的最大加速度；
[0022]优选的，所述步骤S2中Δθ
i
≤θ
d
也可替换为实时速度ω
i
小于某一设定速度值ω
s
。
[0023]优选的，所述步骤S5中分段位置式PID策略输出的控制量I
OUT
公式如下：
[0024][0025]其中，θ0为电机目标位置，θ
s
为预设的位置误差临界值，K
P
、K
I
、K
D
为PID控制参数；
[0026]所述的电机驱动模块用于接收位置跟踪模块输出的相电流控制信号，并根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；
[0027]所述的步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；
[0028]所述的磁编码器模块用于接收步进电机输出的原始位置信息，根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到
补偿速度信息，并将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块；
[0029]进行位置补偿和速度补偿的具体方法为：
[0030]目标位置细分数补偿值D
p
计算公式如下：
[0031][0032]补偿位置为其中为原始位置信息；
[0033]补偿速度由补偿后的位置计算得到ω
i
＝(θ
i
‑
θ
i
‑1)/ΔT，其中ΔT为控制程序的运行频率。
[0034]一种步进电机位置闭环控制方法，该方法的步骤包括：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：该闭环控制系统包括上位机、控制任务处理模块、位置跟踪模块、电机驱动模块和磁编码器模块；所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入控制目标；所述的控制任务处理模块用于接收上位机输出的控制目标，并对接收到的控制目标进行解算，然后将解算结果输出给位置跟踪模块；所述的位置跟踪模块用于接收控制任务处理模块输出的解算结果，还用于接收磁编码器数据补偿模块输出的补偿位置信息和补偿速度信息，并根据接收到的解算结果、补偿位置信息和补偿速度信息进行位置解算，输出相电流控制信号给电机驱动模块；所述的电机驱动模块用于接收位置跟踪模块输出的相电流控制信号，并根据接收到的相电流控制信号输出相电流给步进电机；所述的步进电机在电机驱动模块输出的相电流的驱动下输出原始位置信息给磁编码器模块；所述的磁编码器模块用于接收步进电机输出的原始位置信息，根据接收到的原始位置信息进行位置补偿后得到补偿位置信息，同时根据得到的补偿位置信息进行计算得到补偿速度信息，并将得到的补偿位置信息和补偿速度信息输出给位置跟踪模块。2.根据权利要求1所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：所述的上位机用于通过串口或CAN总线给控制任务处理模块输入的控制目标包括角度位置θ0、加速最大角速度ω0以及角加速度α。3.根据权利要求2所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：所述的控制任务处理模块对接收到的控制目标进行解算的方法是指将上位机输入的角度位置最大角速度以及角加速度数据转换为相应的细分数，具体为：设步进电机的步数为n，对每步进行m细分，则相应的角度位置、角速度与角加速度的细分数分别为设β＝mn/2π，即解算结果为4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种步进电机位置闭环控制系统，其特征在于：所述的位置跟踪模块进行位置解算的方法步骤包括：步骤S1：获取步进电机目标角度位置θ0、最大速度ω0、加速度α；步骤S2：获取当前步进电机的实时位置θ
i
和实时速度ω
i
；步骤S3：计算目标位置与实时位置的差值Δθ
i
，将差值Δθ
i
与预设的步进电机位置回归距离θ
d
进行比较，若Δθ
i
&gt;θ
d
，进入步骤S4，若Δθ
i
≤θ
d
进入步骤S5；步骤S4：使用梯形分段策略确定此差值对应的速度控制方法，梯形分段控制包含三个模式：加速模式、匀速模式、减速模式，计算以ω0为初速度，α为加速度，末速度为0的匀变速运动的角位移量θ
a
，根据Δθ
i
与ω
i
判断工作模式：若Δθ
i
&gt;θ0‑
θ
a
且ω
i
&lt;ω0，则电机模式为匀加速模式，以恒定加速度α进行加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕茂斌，刘格远，解博炜，董娟，何兴秀，孙光辉，邓方，陈杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：