一种步进电机闭环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子产品中的步进电机控制技术领域，具体涉及一种步进电机闭环控制系统及其控制方法。

背景技术

随着科技快速发展，涌现了越来越多的电动产品，电动产品需要通过相应的电机结构提供驱动动力，其中步进电机属于应用最多、最广泛的电机产品之一。

传统技术中的步进电机大多数采用的是开环控制方式，即控制器根据运动的距离计算相应的电机运动步数，驱动相应的脉冲数实现对电机的运动控制，但由于控制器脉冲数的丢失或运动过程负载的改变、供电的波动等情况，导致该驱动方式下电机存在丢步、失步等情况，影响步进电机的位置精度，从而影响整个电动产品的工作精度，甚至在外部负载改变或环境影响下，电机出现堵转时发热可能会危及生命财产安全。

现有技术中一般采用步进电机配套设置光栅编码器实现步进电机的闭环控制，以适应对位置精度要求较高的应用场合使用需求，但是光栅编码器是通过在光栅码盘上等分开通若干个长方形孔，由发光二极管等电子元件组成检测装置，在电机运动时检测其输出的脉冲信号实现对电机位置的确定，从而在丢步、失步等情况下补偿相应步数，实现高精度的位置确定；此种闭环控制方式由于光电码盘开孔尺寸及开孔数量受限，其分辨率受限，在丢、失步步数少时不易检测出，依旧存在位置上的偏差；更重要的是，其所使用的步进电机必须为双出轴电机，非常规性电机，光电码盘、检测装置装配到步进电机后端的出轴上，装配空间大，导致整个闭环电机尺寸大，对装配空间要求高，成本也高。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种步进电机闭环控制系统及其控制方法，能够在提高位置精度的同时，防止电机堵转发热，结构简单紧凑，体积小，装配安装操作方便，成本低廉。

本发明所采用的技术方案为：

第一技术方案提供一种步进电机闭环控制系统，包括有若干步进电机，其特征在于：每个步进电机分别设置有电机控制子系统，每个电机控制子系统分别包括有控制模块、基准定位模块、动态检测模块、通讯模块；每个电机控制子系统的控制模块分别通过通讯模块通讯连接至上位机或者中控系统；

所述动态检测模块包括有磁编码芯片和径向磁铁；

所述控制模块用于通过基准定位模块定位步进电机的原点位置，计算并预设目标位置的磁通量阈值，并通过动态检测模块检测步进电机的实时磁通量，根据实时磁通量与磁通量阈值的磁通量偏差换算为步进电机需要补偿的步数，从而控制步进电机运动至精确位置。

进一步地，每个所述电机控制子系统还分别设置有采样模块，所述采样模块用于采样计算步进电机的实时电流；所述控制模块还用于预设步进电机的电流阈值，并根据实时电流与电流阈值的比较判断结果对步进电机的电流进行反馈调节。

进一步地，每个所述电机控制子系统分别包括有驱动控制板，每个所述电机控制子系统的驱动控制板、磁编码芯片和径向磁铁均设置于每个步进电机的后端面外部，每个径向磁铁均固定连接于相应步进电机的转轴上。

进一步地，每个驱动控制板的外表面分别设置有主控芯片，所述主控芯片用于设置控制模块；每个所述磁编码芯片分别设置于驱动控制板的内表面上；

每个所述驱动控制板分别固定连接于每个步进电机的后端面上，且驱动控制板与后端面之间具有一段间隔距离，使得磁编码芯片与径向磁铁之间间隔距离为1～5mm。

进一步地，所述步进电机的后端面中部贯穿设置有后轴孔，径向磁铁限位设置于后轴孔内，并固定连接于步进电机的转轴后端。

进一步地，所述磁编码芯片与步进电机的转轴同轴设置。

再进一步地，每个所述驱动控制板上分别设置有CAN接口和拨码开关，构成通讯模块；

每个所述拨码开关用于提供每个步进电机的地址编码，每个所述驱动控制板均通过CAN总线通讯连接至上位机或者中控系统。

再进一步地，每个所述驱动控制板的外形、尺寸和安装孔位置与相应步进电机后端面的外形、尺寸和安装孔位置均相同。

再进一步地，每个所述驱动控制板上分别设置有对应于相应步进电机的各相相线的采样电阻；

所述采样电阻用于采样计算步进电机的实时电流，构成采样模块；

所述驱动控制板上设置有光电传感器，所述光电传感器用于定位提供步进电机的原点位置，构成基准定位模块。

第二技术方案提供一种步进电机闭环控制方法，包括以下操作步骤：

S01，预设各步进电机的运行参数阈值和原点位置；

S02，分别拔动每个步进电机的拔码开关，设置每个步进电机和每个电机控制子系统的唯一地址；各步进电机通过CAN接口连接至电源及上位机的通讯口；

S03，校准；上电，上位机发出校准命令，步进电机正、反转一圈记录其各个位置的磁通量大小，校准后计算各点位置正、反转的磁通量均值作为该位置的磁通量定值；

S04，复位；步进电机转动寻找光电传感器原点；

S05，上位机或中控系统发送目标位置命令，驱动控制板软件自动计算当前位置S

S06，驱动控制板实时获取磁通量B，软件通过磁通量的变化量计算出当前电机的运动速度,并与设定速度进行比较判断；

S07，若实际速度过慢时，则驱动控制板加快脉冲发送频率以加快电机速度；

S08，若实际速度过快时，则驱动控制板降低脉冲发送频率以减缓电机速度；

S09，驱动控制板实时采集采样电阻的电压，换算为当前步进电机的实时运动电流，并与设定电流阈值进行比较判断；

S10，若实时运动电流大于设定电流，则减小电流；

S11，若实时运动电流小于设定电流，则增加电流；

S12，步进电机停止运动后，控制模块检测获取当前位置的磁通量B1，并与目标位置的磁通量B2进行比较计算，得到磁通量偏差△B，

S13，计算得到角度偏差△θ，再换算为该角度偏差对应的步进电机补偿的脉冲步数T

S14，控制模块根据脉冲步数T

本发明的有益效果为：

一种步进电机闭环控制系统及其控制方法，包括若干步进电机，每个步进电机分别设置电机控制子系统，每个电机控制子系统分别包括控制模块、基准定位模块、动态检测模块、采样模块、通讯模块；每个电机控制子系统的控制模块分别通过通讯模块通讯连接至上位机或者中控系统；态检测模块包括磁编码芯片和径向磁铁；控制模块通过基准定位模块定位步进电机的原点位置，计算并预设目标位置的磁通量阈值，并通过动态检测模块检测步进电机的实时磁通量，根据实时磁通量与磁通量阈值的磁通量偏差换算为步进电机需要补偿的步数，从而联动控制多个步进电机分别运动至精确位置。能够在提高位置精度的同时，防止电机堵转发热，结构简单紧凑，体积小，装配安装操作方便，成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1～图2是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的径向磁铁结构示意图；

图3是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的单个电机控制子系统电路原理结构示意图；

图4～图5是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的单个步进电机立体结构示意图；

图6是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的磁通量与磁铁角度换算示意图；

图7是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的流程原理示意图；

图8是本发明实施例一的步进电机闭环控制系统的多个电机控制子系统机联网控制原理示意图；

图9～图10是本发明实施例二的步进电机闭环控制系统的单个步进电机立体结构示意图。

实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

如图1～10所示，本发明为了提供一种步进电机闭环控制系统及其控制方法，整体策划方案为：

第一技术方案首先策划研发一种步进电机闭环控制系统，第二技术方案在第一技术方案的结构基础上提供一种步进电机闭环控制方法。

实施例一按照第一技术方案提供一种步进电机闭环控制系统；如图1～8所示，实施例一的具体技术方案如下：

第一技术方案提供一种步进电机闭环控制系统，并联连接若干步进电机，每个步进电机分别设置电机控制子系统，每个电机控制子系统分别包括控制模块、基准定位模块、动态检测模块、通讯模块；每个电机控制子系统的控制模块分别通过通讯模块通讯连接至上位机或者中控系统，从而可以通过上位机或者中控系统联网控制多电机同步协同运动。

动态检测模块由磁编码芯片2和径向磁铁3组合构成。

上位机或者中控系统可以通过所有步进电机的控制模块和基准定位模块采集获取系统所有步进电机的位置初始数据，定位步每个步进电机的原点位置，计算并预设每个步进电机的目标位置的磁通量阈值，并通过动态检测模块检测每个步进电机的实时磁通量，根据每个步进电机的实时磁通量与磁通量阈值的磁通量偏差换算为每个步进电机需要补偿的步数，从而能够控制每个步进电机运动至精确位置。

每个电机控制子系统还分别设置采样模块，通过采样模块可以采样计算每个步进电机的实时电流；通过控制模块可以预设每个步进电机的电流阈值，并根据实时电流与电流阈值的比较判断结果对步进电机的电流进行反馈调节。

每个电机控制子系统分别设置一块驱动控制板1，每个电机控制子系统的驱动控制板1、磁编码芯片2和径向磁铁3均设置在每个步进电机4的后端面外部，每个径向磁铁3分别固定连接在相应步进电机的转轴上。

进一步地，在每个驱动控制板1的外表面分别设置主控芯片，通过主控芯片可以编写软件程序，以设置控制模块。每个磁编码芯片2分别设置在驱动控制板1的内表面上；并且每个驱动控制板分别固定连接在每个步进电机的后端面上，且在驱动控制板与电机后端面之间设置一段间隔距离，使得磁编码芯片与径向磁铁之间间隔距离为1～5mm，满足磁编码芯片正常工作运行的空间要求，同时尽量减小体积，占用空间也尽量少。图中受视角角度限制，未示出磁编码芯片具体结构，只示意磁编码芯片的位置。

径向磁铁3的基础要求是直径必须小于等于步进电机的转轴的直径；因为步进电机的后端面中部按照常规步进电机的硬件结构贯穿设置后轴孔，径向磁铁3可以直接限位设置在后轴孔内，并固定连接在步进电机的转轴后端。

理论上，每个磁编码芯片2的安装位置分别对应于相应径向磁铁3的外圆柱面任意一点的旋转运动轨迹上，每个磁编码芯片2都能够分别实时采集获取相应径向磁铁的实时磁通量；每个磁编码芯片分别通信连接至相应主控芯片。每个磁编码芯片在步进电机轴向投影面上的投影面积与径向磁铁在步进电机轴向投影面上的投影面积部分重合或者全部重合。

实施例一中将每个步进电机的磁编码芯片2与步进电机的转轴同轴设置，因为径向磁铁3同轴固定连接在转轴的后端，随着转轴同步旋转，因此每个磁编码芯片2能够感应检测每个径向磁铁3的最大磁通量。

磁编码芯片2具体可以选择现有技术中的各种常规产品，本例中选择型号为AS5047磁性编码器芯片，其与径向磁铁之间的间隔距离范围为2～3mm，使得步进电机即使加安装驱动控制板、磁编码芯片和径向磁铁后仍然结构紧凑，体积小，占用空间少，安装空间要求低。

再进一步地，在每个驱动控制板上分别设置CAN接口7和拨码开关8，构成通讯模块；每个拨码开关提供每个步进电机的地址编码，每个驱动控制板均通过CAN接口7和拨码开关8经CAN总线通讯连接至上位机或者中控系统。

每个驱动控制板的外形、尺寸和安装孔位置与相应步进电机后端面的外形、尺寸和安装孔位置均相同；

驱动控制板可以直接利用步进电机的标准安装连接孔进行固定；安装连接在步进电机的后端面外部，也可以另外再增加一层防护罩以提高驱动控制板的防护性能，具体根据相应应用场景的空间位置条件进行适应性设置即可。

在每个驱动控制板上分别设置有对应于相应步进电机的各相的采样电阻；通过采样电阻可以采样计算步进电机的实时电流，构成采样模块。

在驱动控制板上设置光电传感器，通过光电传感器可以定位提供步进电机的原点位置，构成基准定位模块。

主控芯片采用STM32芯片，拔码开关采用五位拔码开关。

实施例二按照本发明的第二技术方案提供一种步进电机闭环控制方法，具体按照以下步骤内容操作执行：

S01，预设各步进电机的运行参数阈值和原点位置；

S02，分别拔动每个步进电机的拔码开关，设置每个步进电机和每个电机控制子系统的唯一地址；各步进电机通过CAN接口连接至电源及上位机的通讯口；

S03，校准；上电，上位机发出校准命令，步进电机正、反转一圈记录其各个位置的磁通量大小，校准后计算各点位置正、反转的磁通量均值作为该位置的磁通量定值；

S04，复位；步进电机转动寻找光电传感器原点；

S05，上位机或中控系统发送目标位置命令，驱动控制板软件自动计算当前位置S

S06，驱动控制板实时获取磁通量B，软件通过磁通量的变化量计算出当前电机的运动速度,并与设定速度进行比较判断；

S07，若实际速度过慢时，则驱动控制板加快脉冲发送频率以加快电机速度；

S08，若实际速度过快时，则驱动控制板降低脉冲发送频率以减缓电机速度；

S09，驱动控制板实时采集采样电阻的电压，换算为当前步进电机的实时运动电流，并与设定电流阈值进行比较判断；

S10，若实时运动电流大于设定电流，则减小电流；

S11，若实时运动电流小于设定电流，则增加电流；

S12，步进电机停止运动后，控制模块检测获取当前位置的磁通量B1，并与目标位置的磁通量B2进行比较计算，得到磁通量偏差△B，

S13，计算得到角度偏差△θ，再换算为该角度偏差对应的步进电机补偿的脉冲步数T

S14，控制模块根据脉冲步数T

实施例一和实施例二的步进电机闭环控制系统及控制方法具体操作过程和计算原理如下：

实施例一中单个步进电机以57电机为例；硬件上包括57步进电机1、圆形径向磁铁3、磁编码芯片2及驱动控制板1。圆形径向磁铁3中心位置的磁通量随着磁铁角度线性变化而线性变化，即磁铁的每个位置都对应着特定的磁通量。

将圆形径向磁铁固定到步进电机转动轴后端，电机转动时磁铁跟着转动，磁通量也随之变化。磁编码芯片能实时获取到磁铁的磁通量，从而确定磁铁当前的位置，进而确定步进电机转动轴的位置。

进一步地，电机控制板通过与磁编码芯片通信，获取当前电机的位置。电机运动时，软件控制程序通过计算得到设定目标位置的磁通量阈值，每次驱动电机运动停止后，获取当前位置的实时磁通量与计算的目标位置磁通量阈值进行比较，得到一个磁通量偏差，再根据这个偏差换算成步进电机需要补偿的步数，再控制电机运动到精确的位置，实现步进电机的位置闭环。

进一步地，驱动控制板软件控制步进电机运动，同时获取实时磁通量的变化，软件上通过实时磁通量的变化换算为当前的速度，对比设定速度与当前速度进行对比，实现步进电机的速度闭环。当运动过程磁通量不变时，软件判定为电机堵转，立即控制电机停止运动，可以有效防止电机因堵转而发热，同时防止运动部件撞击到人或物体。

进一步地，驱动控制板针对步进电机每相设计了采样电阻，软件上通过CAN口或者预设的电流驱动时，通过采样电阻计算步进电机运动时的实时电流，当步进电机运动电流与设定电流有偏差时，软件可以进行电流反馈调节，实现步进电机的电流闭环。

进一步地，驱动控制板及磁编码芯片、径向磁铁装配到电机后端，整体作为一个电机控制子系统（闭环控制电机单元），驱动控制板上提供有5位拨码开关作为地址码选择，利用CAN总线方式进行通讯控制，上位机或者中控系统通过CAN总线最多可同时对32个电机控制子系统（闭环控制电机单元）组成的系统进行多电机同步协同运动，如图8所示。

进一步地，驱动控制板尺寸与步进电机尺寸、固定孔位一致，可装配到步进电机后端，也可分开独立控制。

根据步进电机转轴的尺寸选择相应的圆形径向磁铁，参照附图4，将径向磁铁固定于电机转轴上，将含磁编码芯片的驱动控制板装于步进电机上，形成附图4～图5中的电机控制子系统（闭环控制电机单元）。

根据步进电机转轴的尺寸选择相应的圆形径向磁铁。参照附图3，驱动控制板以STM32作为主控芯片，拨码开关作为信号输入，用于确定该控制单元的唯一地址，5位的拨码开关最多可以确定32个地址。光电传感器确定步进电机的原点位置，后续的运动坐标都是以该点作为参考点的相对位置。主控芯片与磁编码芯片通信读取当前的磁通量。参照附图4，将径向磁铁固定于电机转轴上，将驱动控制板装于步进电机上，形成附图5中的电机控制子系统（闭环控制电机单元）。

进一步地，拨动5位拨码开关确定电机控制子系统（闭环控制电机单元）唯一地址，CAN接口连接电源及上位机通讯口。上电后上位机或中控系统发校准命令，步进电机正、反转一圈记录其各个位置的磁通量大小，并存储于驱动控制板上。后再发复位命令，步进电机开始转动寻找原点，以确定后续所有运动位置的参考点。

进一步地，CAN接口连接电源及上位机通讯口。上电后上位机或中控系统发校准命令，参照附图6，步进电机正、反转一圈记录其各个位置的磁通量大小，校准后计算各点位置正、反转的磁通量均值作为该位置的磁通量定值，电机转动一圈为360°，以1.8°间距可读取出径向磁铁一圈200个位置的实时磁通量，根据这200个点拟合得到磁通量B与角度θ的线性公式:B=kθ+b （1），此处k、b值是根据线性拟合得到的系数，后续任意角度的磁通量都可通过这个公式计算得到。本发明中校准角度间距不局限于1.8°，可根据实际的精度要求进行增减。根据线性公式，电机在0°时磁通量最小，在360°时磁通量最大，软件上以磁通量的跳跃变化次数作为电机的转动圈数T，当由高跳跃到低时，电机转动圈数T-1；当由低跳跃到高时，电机转动圈数T+1。

参照附图6，根据电机上安装的同步轮确定电机单圈运动的总位移量S，由此计算电机单圈位移量△D与角度变化量△θ的关系：△D=S/360*△θ （2），式中S表示电机单圈总位移量，△D表示电机单圈内运动位移量，△θ表示角度变化量。

参照附图6，若电机步进角为w、驱动板设定的细分数为H,则电机转一圈的脉冲总数T的计算公式为：T=360/w *H （3），由此计算步进电机运动脉冲数T1与角度变化量△θ的关系：T1=T/360*△θ=H*△θ/w （4）。

进一步地，校准完成后再发复位命令，步进电机开始转动寻找光电传感器原点，后续所有运动位置以此作为参考点，并将电机转动圈数R置0，当前位置S1置0，读取当前的实时磁通量B1，利用公式（1）计算得到当前的角度θ1。

进一步地，上位机或中控系统发送目标位置命令，驱动控制板软件自动计算其当前位置与目标位置的位移量，以确定电机的运动方向、脉冲步数以及目标位置的磁通量阈值，并开始驱动电机开始运动。

进一步地，上位机或中控系统发送目标位置命令，驱动控制板软件自动计算当前位置S1与目标位置S2的位移量：△D=S2-S1，电机转动圈数R=△D/S，电机最后单圈的位移量D1=△D%S（取余），根据公式（2），可计算出当前的角度变化量△θ=（△D%S）*360/S，最后计算得到目标位置的角度θ2=θ1+△θ。根据公式（1）得到目标位置的磁通量阈值B2=kθ2+b，根据公式（3）（4）运动到目标位置的总脉冲数为T2=T*R+T1=360/w*H*R+H*△θ/w。驱动控制板发送T2个脉冲开始驱动电机运动至目标位置。

电机运动过程中，驱动控制板会实时获取实时磁通量B，软件通过实时磁通量的变化量计算出当前电机的运动速度,并与设定速度进行比较。当实际速度过慢时，驱动控制板加快脉冲发送频率以加快电机速度；当实际速度过快时，驱动控制板降低脉冲发送频率以减缓电机速度，实现步进电机的速度闭环。

电机运动过程中，驱动控制板会实时采集采样电阻的电压，以换算为当前步进电机的运动电流，当电流大于设定电流时，会自动减小电流；当电流小于设定电流时，会自动增加电流，实现步进电机的电流闭环。

电机停止运动后，驱动控制板会获取当前位置的实时磁通量B1，并与目标位置的磁通量阈值B2进行比较计算，得到一个磁通量偏差△B，根据公式（1）得到角度偏差△θ，再根据公式（4）得到该角度偏差对应的步进电机补偿的脉冲步数T1，驱动控制板会驱动T1个脉冲数补偿运动至目标位置，实现步进电机的位置闭环。

电机停止运动后，驱动控制板会获取当前位置的实时磁通量，并与目标位置的磁通量阈值进行比较计算，得到一个磁通量偏差，这个磁通量偏差就是步进电机转轴的角度偏差。根据这个偏差计算得到步进电机所需补偿的脉冲步数，驱动控制板控制步进电机继续运动以运动到目标位置，实现步进电机的位置闭环。

进一步地，软件上控制步进电机的速度闭环、电流闭环、位置闭环都有一个允许偏差参数，这个偏差可以通过CAN总线进行设置，这个参数设置得越小，电机运动的速度、力矩及位置控制就更精确。

进一步地，通过速度闭环、电流闭环、位置闭环，软件上实现了电机运动的堵转检测，在三维臂等结构大动作运动下可以有效起防撞保护；力矩控制有效解决步进电机发热问题。其稳定性更好、精度更高。

进一步地，大多数产品特别是设备类产品都是存在多个步进电机同时控制，协同运动。参照附图6，本发明的步进电机闭环控制最多允许32个电机控制子系统（闭环控制电机单元）存在，可同时控制最多32个步进电机同时动作。

实施例三如图9～10所示，在实施例一的结构基础上，单个步进电机以42电机5为例，实施例三的具体技术内容与实施例一和实施例二仅仅在机械结构尺寸方面有些微差异，具体结构特征和操作方法与实施例一和实施例二的内容一致。

因42电机5的后端具有后端板9，因此，在每个42电机5的后端板9后侧分别设置驱动控制板1，在后端板9中部的轴孔内分别设置第二径向磁铁6，每个第二径向磁铁6分别固定连接于每个步进电机的转轴后端上，且在驱动控制板1与后端板9之间设置一段间隔距离，使得磁编码芯片与第二径向磁铁之间间隔距离为1～5mm，满足磁编码芯片正常工作运行的空间要求，同时尽量减小体积，占用空间也尽量少。图中受视角角度限制，同样未示出磁编码芯片具体结构，只示意磁编码芯片的位置。

本发明步进电机闭环控制系统及其控制方法，包括若干步进电机，每个步进电机分别设置电机控制子系统，每个电机控制子系统分别包括控制模块、基准定位模块、动态检测模块、采样模块、通讯模块；每个电机控制子系统的控制模块分别通过通讯模块通讯连接至上位机或者中控系统；态检测模块包括磁编码芯片和径向磁铁；控制模块通过基准定位模块定位步进电机的原点位置，计算并预设目标位置的磁通量阈值，并通过动态检测模块检测步进电机的实时磁通量，根据实时磁通量与磁通量阈值的磁通量偏差换算为步进电机需要补偿的步数，从而联动控制多个步进电机分别运动至精确位置。能够在提高位置精度的同时，防止电机堵转发热，结构简单紧凑，体积小，装配安装操作方便，成本低廉。适应控制的步进电机包括但不限于28电机、35电机、42电机、57电机、60电机、86电机等，可装配到步进电机后端，也可分开独立控制。

以上内容仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明不局限于上述可选实施方式，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，不论在其形状或结构上作任何变化，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。