一种避免步进电机失步的方法、系统及装置与流程

1.本发明属于步进电机控制领域，涉及一种避免步进电机失步的方法、系统及装置。


背景技术：

2.步进电机依据脉冲数和脉冲频率来对电机实现开环控制位置和速度，在自动化控制领域得到越来越广泛的应用。正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。但由于步进电机不是闭环控制，选型或者使用不当，也会容易出现步进电机失步，步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数，漏掉了脉冲没有运动到指定的位置；越步时，转子前进的步数多于脉冲数，运动到超过了指定的位置。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，将发生过冲。
3.步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
4.步进电机失步的原因有很多，一般导致步进电机失步的原因是下面几种：
5.1)步进电机本身工作力矩不够，没有足够能力带动负载；
6.2)步进电动机及所带负载存在惯性，在起步和停止的加速过程不充分，步进电机在加速过程中丢步，在减速过程中越步；
7.3)步进电机的电源功率不够导致步进电机的输入功率不够引起失步，驱动电压不够或者驱动电流设定过低；
8.4)驱动器或者控制器收到信号干扰，程序有缺陷，造成步进电机失步；
9.5)电机系统持续工作引起系统共振，在控制脉冲和步进电机固有共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步；
10.6)同步轮或者减速器的背隙或者来回转到的间隙误差没有在程序上补偿或者补偿值不对；
11.7)驱动器和控制器的信号不匹配。
12.针对步进电机失步，现有的解决方案有：
13.1)核算负载的力矩，参考步进电机距频图看看在对应速度下步进电机是不是有足够扭矩能力带动负载。然而扭矩分析涉及加速，减速，负载变换，上升下降重力影响等因素，满足不了不同场景变换需求；
14.2)通过步进电机电源电流预留30％以上余量，并提交驱动电压的方式来避免驱动不足造成加速过程中丢步，然后会更容易导致减速过程中出现越步；
15.3)在系统中信号干扰和共振是难以避免，长期工作容易反复出现的固有现象；
16.4)采用同步轮或者减速箱由于精度问题，会有一定误差累计，在控制程序中无法做出合理补偿；
17.5)监测步进电机工作电流，通过分析电流异常变化造成步进电机失步；可以监测到失步现象但是解决不了该故障，无法定量改变失步造成的影响；
18.上述的解决方案如调理供电和增加减速器不能解决步进电机的固有弊端，采用电流监测闭环操作可检测步进电机有失步现象，不能确定失步步数和解决问题，完成用户所需的步数。


技术实现要素：

19.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种避免步进电机失步的方法、系统及装置，能够有效的避免步进电机出现失步的现象。
20.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
21.一种避免步进电机失步的方法，包括：
22.接收由上位机所采集步进电机、光电开关、第一限位器和第二限位器的位置信息；
23.对所接收的信息进行解析，确定步进电机的起始位置、步进电机的加减速的最小步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段；
24.发送包含行进步数和方向的驱动指令给步进电机，驱动步进电机进行运动；
25.基于步进电机的起始位置、步进电机的行进步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段，监控每一个光电开关的状态、第一限位器的状态、第二限位器的状态和步进电机的行进位置，接收每一个光电开关、第一限位器和第二限位器所反馈的信息，获取步进电机的最后一段步数；
26.判断步进电机的最后一段步数是否大于加减速的最小步数；如果是，则步进电机完成最后一段的步数；如果否，则步进电机按最后一段步数加上最小步数进行运动，再反转最小步数回到预期位置，步进电机完成最后一段的步数。
27.本发明的进一步改进在于：
28.上位机采集步进电机、光电开关、第一限位器和第二限位器的位置信息，具体为：上位机对步进电机、光电开关、第一限位器和第二限位器的位置进行标定，标定后的数值分别存储到上位机的flash中。
29.步数的分段具体为：基于每一个光电开关的位置与步进电机的起始位置，获取每一段的步数，并以触发当前段的光电开关响应为当前段完成标识。
30.监控每一个光电开关的状态信息，具体为：当步进电机经过光电开关时，光电开关产生开关量信号，进行步进电机运转至当前位置的反馈。
31.监控第一限位器的状态和第二限位器的状态，具体为：当步进电机行进到第一限位器的位置时，第一限位器产生接触信号，进行步进电机运转至当前位置的反馈，同时步进电机停止运动；当步进电机行进到第二限位器的位置时，第二限位器产生接触信号，进行步进电机运转至当前位置的反馈，同时步进电机停止运动。
32.获取步进电机的最后一段步数，具体为：步进电机的行进步数与步进电机行进方向相反且最接近步进电机的行进位置的光电开关位置的差值。
33.一种避免步进电机失步的系统，包括：
34.接收模块，所述接收模块用于接收由上位机所采集步进电机、光电开关、第一限位器和第二限位器的位置信息；
35.解析模块，所述解析模块用于对所接收的信息进行解析，确定步进电机的起始位置、步进电机的加减速的最小步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段；
36.驱动模块，所述驱动模块用于发送包含行进步数和方向的驱动指令给步进电机，驱动步进电机进行运动；
37.获取模块，所述获取模块基于步进电机的起始位置、步进电机的行进步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段，监控每一个光电开关的状态、第一限位器的状态、第二限位器的状态和步进电机的行进位置，接收每一个光电开关、第一限位器和第二限位器所反馈的信息，获取步进电机的最后一段步数；
38.判断模块，所述判断模块用于步进电机完成最后一段的步数，确保步进电机按照加减速进行启动和停止。
39.一种避免步进电机失步的装置，包括：上位机、控制器、电机驱动器、光电开关、驱动轴、第一限位器、第二限位器和步进电机；
40.上位机连接控制器，控制器连接电机驱动器；电机驱动器连接步进电机；步进电机设置在第一限位器和第二限位器之间，第一限位器和第二限位器用于限定步进电机的运动范围；光电开关设置在第一限位器和第二限位器之间，光电开关位于驱动轴上；光电开关连接控制器；第一限位器和第二限位器连接控制器。
41.驱动轴为水平驱动轴；第一限位器和第二限位器分别位于水平驱动轴的两端；步进电机位于水平驱动轴的一侧。
42.驱动轴为360
°
驱动轴；第一限位器和第二限位器分别位于360
°
驱动轴的侧面；光电开关位于360
°
驱动轴的侧面，且位于第一限位器和第二限位器所构成的同一区间。
43.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
44.本发明通过监控步进电机的运行状态和接收光电开关和第一限位器和第二限位器所反馈的信息，控制步进电机的运动和停止，并判断步进电机最后一段的运行状态，使得步进电机的每次启动停止都有匀加速和匀减速过程，保证系统始终平稳运行，避免了步进电机出现失步的现象。
45.同时本发明采用光电开关，未使用电磁敏感器件，环境适应性强，不受外界电磁环境干扰影响。光电开关器件简单，不受步进电机自身线圈及其他单机电磁辐射影响，即使在单粒子环境复杂的空间环境中仍能正常工作。满足各项环境应用要求。同时在增加有限成本的情况下，通过光电开关有效实现步进电机闭环控制；光电开关亦可用其他开关控制，软件原理一致。本发明可移植性强，方便在各个场景下使用，不受设备体积大小及运转方向限制，圆轨道、上下垂直轨道，有无减速器等环境均可应用；本发明适应批量化生产要求，对安装精度等无额外特殊要求。通过软件标定，对组装完成设备的每个光电开关进行标定，将标定后数值存入每个设备自身的flash。软件运行后自动读取flash中数值即通过软件标定弥补结构的各项限制。本发明在运行过程具有反馈机制，对步进电机和整个系统与转有校验功能，如运转步数超出误差范围则进行报警提示。
附图说明
46.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
47.图1为本发明实施例的避免步进电机失步的装置结构图；
48.图2为本发明实施例的360
°
驱动轴结构图；
49.图3为本发明实施例的光电开关的结构图；
50.图4为本发明实施例的避免步进电机失步方法流程图；
51.图5为本发明实施例的避免步进电机失步方法另一种流程图；
52.图6为本发明实施例的避免步进电机失步系统结构流程图。
53.其中：1-上位机，2-控制器，3-电机驱动器，4-第一限位器，5-第二限位器，6-步进电机，7-水平驱动轴，8-360
°
驱动轴，9-光电开关。
具体实施方式
54.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
55.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
57.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
58.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
59.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
61.参见图1，本发明公布了一种避免步进电机失步的装置，包括：
62.本发明的具体实施方式包括系统环境搭建、系统标定和软件实施3个阶段，以下对每阶段事项一一说明。
63.(一)环境搭建
64.环境搭建包括上位机1、控制器2、电机驱动器3、光电开关9、第一限位器4、第二限位器5、步进电机6和驱动轴的选型设计：
65.上位机1连接控制器2，控制器2连接电机驱动器3；电机驱动器3连接步进电机6；步进电机6设置在第一限位器4和第二限位器5之间，第一限位器4和第二限位器5用于限定步进电机6的运动范围；光电开关9设置在第一限位器4和第二限位器5之间，光电开关9位于驱动轴上；光电开关9连接控制器2；第一限位器4和第二限位器5连接控制器2。
66.驱动轴为水平驱动轴7；第一限位器4和第二限位器5分别位于水平驱动轴7的两端；步进电机6位于水平驱动轴7的一侧。
67.控制器2为软件载体，有条件的完成软件的功能。包括接收上位机1所传输的信息、采集极限位置的第一限位器4和第二限位器5的数值、采样n个光电开关9的位置、完成步数的分段、步进电机6的控制、光电开关9的状态监测等功能。此方案亦可为360
°
驱动轴8运动方向实现，不受结构限制。
68.参见图2，驱动轴为360
°
驱动轴8；第一限位器4和第二限位器5分别位于360
°
驱动轴8的侧面；光电开关9位于360
°
驱动轴8的侧面，且位于第一限位器4和第二限位器5所构成的同一区间。
69.光电开关作9为软件功能实现的关键器件，分段反馈步进电机6位置，实现步进电机6闭环控制。光电开关9由一个发光二极管和一个光电二极管组成，参见图3。当发光二极管和光电二极管之间没有遮挡时，光电二极管接收光能量导通，信号输出为高电平；当发光二极管和光电二极管之间被遮挡时，光电二极管不导通，信号输出为低电平。
70.系统设计中，步进电机6的可固定一个或多个遮挡物，实现一维或多维位置反馈。每个光电开关9对应1个上升沿和1个下降沿，分别对应步进电机6所运转的2个位置或角度，并按照2个位置或角度分别对已完成的段数进行反馈，进入下一段数运转。如当前段数与预估步数差异超出偏差，则进行工作异常反馈。
71.控制器2实现步进电机6所需运转位置和段数的计算，需要运转几个段数，即相对应位置的光电开关9会响应。最后一段的步数计算，判断最后一段是否满足加减速过程，是否需要超前运转再反转，电机驱动器3控制步进电机6完成信号转换，实时检测光电开关9信号，判读步进电机6工作状态，如异常进行反馈，完成人机交互过程。
72.(二)系统标定
73.系统工作环境搭建完成后，进行系统标定，完成极限位置的第一限位器4和第二限位器5的总运动量程、每个光电开光9对应的上升沿和下降沿步数或角度的标定，作为最终实现状态的依据。其中以距离限位开关最近的光电开关9为零位，之后的光电开关9以此零位作为校准依据。以水平驱动轴7移动光电开关9为例说明，水平驱动轴7总运动量程为850000um，校准后的数据表格如下。
74.表1光电开关标定图
75.序号光电开关标号水平轴位置(um)备注
1.第一限位器开关位置-1350限位开关2.01号开光上升沿0起始零位3.01号开光下降沿15130 4.02号开光上升沿24750 5.
…………ꢀ
6.第二限位器开关位置84320限位开关
76.实际标定值总运动距离是85670um，设计值是85000um，670um为设计理论值和标定值的差。每套设备安装后都会有误差，可以在有限成本上达到更好的效果。
77.完成系统标定后，软件依据标定后位置数值计算运动到目标位置所需完成段数，运动精度由步进电机6每一步运转步数决定，采用谐波减速器等可实现最小位移距离有效减少，即可提高运动精度。减速器设计在环境搭建中完成。
78.(三)软件实施
79.参见图4和图5，本发明公布了一种电机失步的方法；包括
80.控制器2软件实现了系统的全部功能，包括人际交互接口、指令输入、状态反馈、指令位置解析、段数计算、最后一段工作计算、电机驱动器3控制，步进电机6工作状态监测等功能。
81.通过人机交互接口接收上位机1所发送的指令，控制器3接收本次运转的目的位置，按照光电开光9位置计算步进电机6运转的方向、所需端数、最后一段是否需要预留反转量。为保证步进电机6运转的平稳性，步进电机6起步和停止采用匀加速和匀减速，按照速度等级可分为8、16、32、64等量级。如采用64量级，最完成一个加速或减速过程最少需要64步，计算最后一段的运动步数由步进电机目的位置和每一步运动距离决定，如果最后1端步数小于64，则最后1段运转步数为原步数加上128，停止后再反转128，通过2次匀加减速过程实时平稳运行，克服力矩不够或过冲造成的丢步。
82.参见图6，本发明公布了一种避免步进电机失步的系统，包括：
83.接收模块，所述接收模块用于接收由上位机所采集步进电机、光电开关、第一限位器和第二限位器的位置信息；
84.解析模块，所述解析模块用于对所接收的信息进行解析，确定步进电机的起始位置、步进电机的加减速的最小步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段；
85.驱动模块，所述驱动模块用于发送包含行进步数和方向的驱动指令给步进电机，驱动步进电机进行运动；
86.获取模块，所述获取模块基于步进电机的起始位置、步进电机的行进步数、每一个光电开关的位置、第一限位器的位置、第二限位器的位置和步数的分段，监控每一个光电开关的状态、第一限位器的状态、第二限位器的状态和步进电机的行进位置，接收每一个光电开关、第一限位器和第二限位器所反馈的信息，获取步进电机的最后一段步数；
87.判断模块，所述判断模块用于步进电机完成最后一段的步数，确保步进电机按照加减速进行启动和停止，避免步进电机出现产生失步。
88.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。