一种基于位置闭环控制的步进电机自适应力矩调节方法与流程

1.本发明属于电机控制领域，具体涉及步进电机的基于位置的闭环控制的自适应力矩调节方法。


背景技术：

2.步进电机驱动系统在卫星空间运行的初期，运行阻力较低,小输出力矩就能够维持其正常运转。在寿命的中后期,步进电机经过长时间运行后，因为固体润滑剂挥发、系统电磁效率降低等原因，会导致电机正常转动所需的输出力矩增加。但是又不能在入轨初期就将电机的输出力矩固定在一个过高的水平，因为大力矩虽然可以保证寿命后期可以继续驱动电机，但消耗了大量的功率并加剧电机的振动和磨损。因此需要根据电机阻力与负载变化情况自动调节驱动力矩。
3.在位置开环系统的步进电机驱动系统中，可以通过检测电流来间接控制力矩，但不容易判断力矩是否过大，因此需要在位置闭环系统中，更直接的采集位置的失步情况以判断驱动力矩是否足够。


技术实现要素：

4.针对步进电机驱动系统在长时间运行后需要的输出力矩增加，而若是在初期就将电机的输出力矩固定在一个过高的值，则会加剧电机的振动和磨损，因此本发明提出一种可实现根据电机阻力与负载变化情况自动调节驱动力矩的基于位置闭环控制的步进电机自适应力矩调节方法。
5.一种基于位置闭环控制的步进电机自适应力矩调节方法，包括以下步骤：
6.s1、设置位置传感器实时监测步进电机的失步数；
7.s2、控制系统根据所述失步数对步进电机的驱动脉冲进行调节，实现步进电机的自适应力矩调节。
8.优选的，所述的步骤s1进一步的包含以下步骤：
9.s11、设置位置传感器，形成闭环控制系统；
10.s12、使用位置传感器实时监测步进电机的失步数。
11.优选的，所述位置传感器为旋转变压器。
12.优选的，所述旋转变压器设置在所述步进电机的侧面，该旋转变压器的可旋转部分与所述步进电机同步旋转，且该旋转变压器的旋转轴与步进电机的旋转轴相同。
13.优选的，所述失步数为步进电机旋转的理论位置与实际位置之差。
14.优选的，控制系统通过调整驱动脉冲的pwm占空比数值，使驱动电流变化，从而使输出力矩变化。
15.优选的，所述步骤s2具体为：当控制系统根据所述失步数判断为步进电机的驱动力矩不足时，提高所述驱动脉冲的的pwm占空比数值，使步进电机达到正常转速。
16.优选的，所述驱动力矩不足的表现情况包括：在步进电机加速过程中，单位时间内
的失步数的增量超过预先设置的第一允许范围a；在步进电机匀速过程中，单位时间内的失步数大于第二允许范围b。
17.优选的，所述第一允许范围a为步进电机加速阶段的理论加速度的1/5；所述第二允许范围b为单位时间内步进电机的步距角理论值的1/20。
18.优选的，通过调整所述的第一允许范围a和第二允许范围b，可以改变因力矩不足导致失步的监测敏感度以及电机响应速度。
19.综上所述，本发明可根据电机阻力和负载变化情况自动调节驱动力矩，避免使用大功率的浪费和电机损耗，增长电机的使用寿命。本方案可解决卫星上驱动系统在长时间运转后的力矩变化问题，也可应用于负载变化而引起的失步和速度变化的场合，使步进电机在其它领域获得更大的通用性。
附图说明
20.图1为本发明的一种基于位置闭环控制的步进电机自适应力矩调节方法的流程示意图；
21.图2为使用不同占空比进行电机驱动的脉冲信号；
22.图3为占空比与电机整体消耗电流的关系图。
具体实施方式
23.以下将结合本发明实施例中的图1～图3，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
24.需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
25.需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
26.一种基于位置闭环控制的步进电机自适应力矩调节方法，可应用在负载大小变化的驱动场合，如图1所示，包括以下步骤：
27.s1、设置位置传感器实时监测失步情况；
28.s11、设置位置传感器，形成闭环控制系统；
29.为实现步进电机的自适应力矩调节，采用基于位置的闭环控制系统进行调节，所述闭环控制系统可将被控的输出量以一定方式返回至输入端，并对输入端施加控制影响。
30.在步进电机正常转动的情况下，每个控制脉冲驱动步进电机转过一个单位步距角；本发明实施例采用旋转变压器作为位置传感器，将所述旋转变压器设置在所述步进电机的侧面，且该旋转变压器的旋转轴与所述步进电机的旋转轴相同，通过测量该旋转变压
器的角位移，可得到步进电机的步距角。
31.控制系统发出控制脉冲驱动步进电机旋转，所述旋转变压器可将步进电机的步距角数据传送给控制系统，控制系统对该步距角数据进行分析，发出适当占空比的控制脉冲，从而形成闭环控制系统。
32.s12、使用旋转变压器实时监测步进电机的失步情况；
33.在控制脉冲的驱动下，步进电机进行旋转，但由于步进电机旋转存在阻力，且起步阶段需要加速，因此步进电机旋转的实际位置与理论位置存在差距，所述理论位置与实际位置之差为失步数；在力矩大于阻力以及满足起步阶段加速度的情况下，步进电机的失步数很少；当输出力矩小于阻力以及不满足起步阶段加速度情况的下，失步会很严重甚至会出现电机无法驱动、出现转堵的情况。
34.本实施例中，采用所述旋转变压器对步进电机的步距角的实际值进行测量，并将测量数据传输至控制系统，与步距角的理论值进行对比，得到失步数。
35.s2、根据失步情况对步进电机的驱动脉冲进行调节，实现步进电机的自适应力矩调节；
36.步进电机的输出力矩与通过绕组的电流相关，而绕组电流可通过调节驱动脉冲的占空比数值进行改变，如图2所示为使用不同占空比进行电机驱动的脉冲信号，如图3所示为占空比与电机整体消耗电流的关系图。
37.通过旋转变压器实时监测失步情况，进而判断输出力矩是否需要调整，通过旋转变压器监测到步进电机驱动出现输出力矩临界状态颤动时，控制系统进行pwm(脉冲宽度调制)占空比系数调整，具体如下：
38.当控制系统通过旋转变压器监测到以下情况时，则判定为驱动力矩不足：在步进电机加速过程中，单位时间内的失步数的增量超过预先设置的第一允许范围a时(本实施例中采用1/5的理论加速度作为预先设置的第一允许范围a)；在步进电机匀速过程中，单位时间内的失步数大于第二允许范围b时(本实施例中采用单位时间内步进电机的理论步距角的1/20作为第二允许范围b)。
39.出现上述驱动力矩不足的情况时，控制系统提高驱动脉冲的pwm占空比数值，即增大驱动电流，以加大力矩输出，克服阻力加速到预定转速，使步进电机达到正常转速，实现自适应负载的输出力矩调节。
40.进一步的，通过调整所述的第一允许范围a和第二允许范围b，可以改变因力矩不足导致失步的监测敏感度以及电机响应速度。
41.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。