一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法。檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的每相電流。當(dāng)每相電流的畸變符合預(yù)制條件時(shí)，判斷步進(jìn)電機(jī)丟步。其中，通過(guò)以下方式檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的相電流：在步進(jìn)電機(jī)每相回路中串聯(lián)一段阻值精確的康銅絲。經(jīng)過(guò)放大單元，對(duì)康銅絲兩端的電流信號(hào)進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)濾波單元，濾除電流信號(hào)中由于開(kāi)關(guān)元件作用產(chǎn)生的高頻諧波成分。經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，采集將電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)光電耦合器，實(shí)現(xiàn)采樣檢測(cè)電路的電隔離。另一種方法是將電流信號(hào)直接送到數(shù)字信號(hào)控制器中；其中，判斷步進(jìn)電機(jī)丟步的預(yù)設(shè)條件為：在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角的過(guò)程中，實(shí)際相電流超出了預(yù)定范圍。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)領(lǐng)域，特別是涉及步進(jìn)電機(jī)的丟步檢測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 步進(jìn)電機(jī)是將步進(jìn)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，常被應(yīng)用于精密定位的場(chǎng) 合。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)，而 不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，它便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角）。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在遇到負(fù)載突變、轉(zhuǎn)子 低頻振蕩等特殊狀態(tài)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于步進(jìn)脈沖信號(hào)數(shù)的現(xiàn)象，造成 位置控制的誤差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)的丟步。通常一次丟步的步距數(shù)等于運(yùn)行拍數(shù)的 整數(shù)倍。丟步嚴(yán)重時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子停滯在一個(gè)位置上或圍繞一個(gè)固定位置抖動(dòng)，發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn) 象，造成嚴(yán)重的后果。
[0003] 因此，步進(jìn)電機(jī)丟步時(shí)必須停轉(zhuǎn)，以避免嚴(yán)重后果的發(fā)生。準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、快速地判定 出步進(jìn)電機(jī)丟步，是本領(lǐng)域技術(shù)人員熱衷研究的課題?，F(xiàn)有技術(shù)中，特別是在控制精度要求 較高的場(chǎng)合下，是采用安裝編碼器的有速度傳感器的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，雖然可以達(dá) 到閉環(huán)控制的目的，但會(huì)大幅增加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本和開(kāi)發(fā)難度。
[0004] 有方案是通過(guò)衡量脈沖寬度是否符合預(yù)置條件，以檢驗(yàn)出電機(jī)是否丟步的方法。 但正如該方案的
【發(fā)明者】所說(shuō)的那樣，該方案需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)獲得所謂的預(yù)置 條件。導(dǎo)致了該方案的通用性不強(qiáng)。另外，還有人提出通過(guò)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A、B相的 反電動(dòng)勢(shì)判定丟步的方法。但是，經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電路直接控制每相繞組的端電 壓，通過(guò)端電壓不能檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的變化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決在不安裝編碼器的前提下準(zhǔn)確判定步進(jìn)電機(jī)丟步的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法，其 特征在于：
[0007] 在步進(jìn)電機(jī)的每相中串聯(lián)一段電阻值為定值的取樣電阻康銅絲。這個(gè)取樣電阻在 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中是必須安裝的，以控制流過(guò)步進(jìn)電機(jī)每相的電流值。因此為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法不需要增加硬件成本，只需增加一個(gè)控制算法的軟件程序在步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中即可實(shí)現(xiàn)。
[0008] 1)在數(shù)字信號(hào)控制器（DSC)(本專(zhuān)利也包含微處理器或單片機(jī)）向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出 一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)前，設(shè)置相電流的預(yù)設(shè)值；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到此步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，將轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè)步距角，即前進(jìn)一步；在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，采集經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)中每相回路中的康銅絲的電 流號(hào)。
[0009] 2)在所述數(shù)字信號(hào)控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出下一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)前，獲取步驟1) 中采集到的每相回路電流信號(hào)的多次采樣值；獲得電流的波形信號(hào)丟步的特征信息；
[0010] 3)若任意一相回路的電流信號(hào)多次（至少三次）采樣值獲得的丟步特征信息超出 正常預(yù)設(shè)值的范圍，則可判定步進(jìn)電機(jī)發(fā)生丟步。值得說(shuō)明的是，數(shù)字信號(hào)控制器發(fā)出的步 進(jìn)脈沖信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)的每相電流信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，因此，可以確認(rèn)丟步的步數(shù)，從而可以實(shí) 現(xiàn)位置閉環(huán)，而不需要增加位置傳感器，構(gòu)成無(wú)速度傳感器的速度位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0011] 進(jìn)一步，步驟1)中，采集到電流信號(hào)后，先對(duì)其進(jìn)行放大，再對(duì)其進(jìn)行濾波處理， 以濾除開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的高頻諧波成分。
[0012] 進(jìn)一步，將經(jīng)過(guò)濾波和放大處理的所述電流信號(hào)傳遞給所述數(shù)字信號(hào)控制器。通 過(guò)所述數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行步驟2)和步驟3)的處理和判定。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的。本發(fā)明不需要使用位置傳感器即可檢測(cè)步進(jìn)電 機(jī)丟步的方法，在現(xiàn)有的開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電路上僅僅增加了軟件便可以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生丟 步。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的工作，對(duì)丟步現(xiàn)象立即做出判定，而且不必安裝成本高 昂的位置傳感器，節(jié)約了成本。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電路。
[0015] 圖2本發(fā)明公開(kāi)的檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)丟步的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路。
[0016] 圖3相電流處理電路框圖。
[0017] 圖4相電流處理電路圖。
[0018] 圖5預(yù)設(shè)值設(shè)置流程。
[0019] 圖6圖上方為正常AB相電流波形、圖下方為丟步AB相波形。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題 范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知 識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0021] 本實(shí)施例公開(kāi)一種兩相步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法，
[0022] 參見(jiàn)圖2和圖4,本發(fā)明在如圖1所示的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，提出了 一種能夠檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)丟步的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制方法。
[0023] 該驅(qū)動(dòng)電路中包括一個(gè)兩相（A相和B相）步進(jìn)電機(jī)。所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)數(shù)字信號(hào) 控制器和功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的A相和B相中各串聯(lián)一段康銅絲的取樣電阻。
[0024] 該驅(qū)動(dòng)電路包括：電壓檢測(cè)裝置、放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換器和光電耦合器。 康銅絲中的電流信號(hào)依次經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路和AD轉(zhuǎn)換器后，再進(jìn)入光電耦合器的輸 入端。而光電耦合器的輸出端又與數(shù)字信號(hào)控制器相連（光電隔離），由此形成一個(gè)閉環(huán)驅(qū) 動(dòng)電路。
[0025] 1)數(shù)字信號(hào)控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)前，設(shè)置相電流的預(yù)設(shè)值。 值得說(shuō)明的是，步進(jìn)電機(jī)正常工作時(shí)，在由某一相轉(zhuǎn)動(dòng)到另一相的過(guò)程中，前一相電流會(huì)由 額定電流值變?yōu)榱?，而后一相電流則會(huì)由零變?yōu)轭~定值。對(duì)某一相而言，預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍 可由該電機(jī)所旋轉(zhuǎn)步的狀態(tài)確定，其相關(guān)確定流程如圖5所示。當(dāng)控制器發(fā)出使步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)向下一步的步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生控制動(dòng)作中斷，中斷中根據(jù)下一步的電流狀態(tài)設(shè)置A、B 相電流的預(yù)設(shè)值，然后退出中斷即可完成對(duì)每一步預(yù)設(shè)值的設(shè)定。
[0026] 步進(jìn)電機(jī)接收到數(shù)字信號(hào)控制器發(fā)出的一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。 在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，采集經(jīng)過(guò)每相回路中的取樣電阻康銅絲的電流或電壓信號(hào)。由于，康銅絲 的電阻已經(jīng)知道，因此，此時(shí)可以獲得A相和B相中的康銅絲的電流信號(hào)I A和IB。
[0027] 將電流信號(hào)IA和IB進(jìn)行放大，再對(duì)其進(jìn)行濾波處理，以濾除開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的高頻 諧波成分。實(shí)施例中，信號(hào)放大電路采用如圖4所示的由兩個(gè)NPN型三極管組成的差分放 大電路，有效濾除共模干擾，起到對(duì)采樣信號(hào)的放大作用。有源濾波電路為Butterworth型 低通濾波器，用于濾除開(kāi)關(guān)電路作用產(chǎn)生的高次諧波。
[0028] 將經(jīng)過(guò)濾波和放大處理的所述電流信號(hào)14和IB轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳遞給光電耦 合器的輸入端。將所述光電耦合器的輸出端產(chǎn)生的信號(hào)1#和I B#傳遞給所述數(shù)字信號(hào)控制 器，以進(jìn)行下一步判定。
[0029] 2)獲取信號(hào)1#和IB#的上下限。即能夠通過(guò)計(jì)算得到步驟1)中，因數(shù)字信號(hào)控 制器發(fā)出步進(jìn)脈沖信號(hào)，A、B相的康銅絲中實(shí)際產(chǎn)生的相電流的上下限。本實(shí)施例中，數(shù)字 信號(hào)控制器主要使用兩個(gè)普通10 口作為輸入引腳?？梢酝ㄟ^(guò)編程實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)算過(guò)程。
[0030] 3)若A、B相的康銅絲中實(shí)際產(chǎn)生的相電流的上下限超出所述預(yù)設(shè)值的范圍，則可 判定步進(jìn)電機(jī)發(fā)生丟步。即判定步進(jìn)電機(jī)丟步。
【權(quán)利要求】
1. 一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法，其特征在于： 在步進(jìn)電機(jī)的每相中串聯(lián)一段電阻值為定值的康銅絲作為取樣電阻，用于檢測(cè)步進(jìn)電 機(jī)的每相繞組電流值； 1) 在數(shù)字信號(hào)控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)前，設(shè)置相電流的預(yù)設(shè)值；當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)接收到此步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，即前進(jìn)一步；在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，采 集經(jīng)過(guò)每相回路對(duì)應(yīng)的取樣電阻康銅絲上的電壓得到步進(jìn)電機(jī)每相的電流信號(hào)的多次采 樣值； 2) 在所述數(shù)字信號(hào)控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出下一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)前，將獲取步驟1)中 采集到的每相回路電流信號(hào)的多次采樣值；獲得電流的波形信號(hào)丟步的特征信息； 3) 若任意一相回路的電流信號(hào)的多次采樣值獲得的丟步特征信息超出正常預(yù)設(shè)值的 范圍，則可判定步進(jìn)電機(jī)發(fā)生丟步現(xiàn)象。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法，其特征在于：步驟1)中，采集 到對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)每相電流的康銅絲上的電壓信號(hào)后，先對(duì)其進(jìn)行放大，再對(duì)其進(jìn)行濾波 處理，以濾除開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的高頻諧波成分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種步進(jìn)電機(jī)丟步檢測(cè)方法，其特征在于：將經(jīng)過(guò)濾波和放 大處理的所述電流信號(hào)傳遞給所述數(shù)字信號(hào)控制器；通過(guò)所述數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行步驟 2)和步驟3)的處理和判定。
【文檔編號(hào)】H02P8/34GK104092419SQ201410355750
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】劉和平, 周宇, 涂郁瀟穎, 趙宗政, 曾宇航, 程章格, 谷若雨, 李雨蔓, 李志闖, 余傳祥, 鄧力 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)