[發(fā)明專利]基于曲線擬合的步進電機預細分驅(qū)動方法

在審

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• 申請日: 2013-08-14
• 公開（公告）號: CN103414409A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設計）人: 吳根忠;葉雷
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: H02P8/14
• 分類號: H02P8/14;H02P8/32
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 沈孝敬

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種步進電機驅(qū)動預細分方法，特別是一種基于曲線擬合的預細分驅(qū)動方法。

背景技術(shù)

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機構(gòu)，其和相應的功率驅(qū)動裝置可以構(gòu)成一個開環(huán)定位運動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、定位方便、無積累誤差和計算機接口方便等優(yōu)點，被廣泛應用于機械、儀表、工業(yè)控制等領域的自動化控制系統(tǒng)中。它通過驅(qū)動器每接受一個脈沖信號，就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。脈沖輸入越多，電機轉(zhuǎn)過的角度也越多；脈沖輸入頻率越高，電機轉(zhuǎn)速越快。因此，在負載能力范圍內(nèi)，控制輸入脈沖數(shù)就可以控制步進電機的位移量，控制脈沖頻率就可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

步進電機系統(tǒng)由步進電機本體和驅(qū)動電源(或驅(qū)動器)組成。驅(qū)動電源可以分為控制器部分和驅(qū)動器部分?？刂破鹘邮苡脩舻妮斎胫噶?、控制步進電機轉(zhuǎn)速的CP脈沖、控制步進電機方向的CW信號以及相關(guān)的控制信號，然后按照步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生信號。

在整步運行時，步進電機存在失步和振蕩問題。這嚴重制約了步進電機的應用范圍。1975年美國學者T.R.Fredriksen首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法。在其后20多年里，步進電機細分驅(qū)動技術(shù)得到了極大發(fā)展。細分步進驅(qū)動是將全步進驅(qū)動時的步距角各相的電流以階梯狀n步逐漸增加，使吸引轉(zhuǎn)子的力緩慢改變，每次轉(zhuǎn)子在該力的平衡點靜止，全步距做n細分，可以使轉(zhuǎn)子運行效果光滑。

細分驅(qū)動的優(yōu)點主要有三方面：

1)大大提高步進電機的分辨率。例如一臺普通步進電機每轉(zhuǎn)200步，步距為1.8°。若進行驅(qū)動10細分的話，可以得到0.18°步距和2000步的運動，即每接受一個脈沖，電機只轉(zhuǎn)動0.18°。

2)提高運行穩(wěn)定性，降低振蕩和噪聲。每一個單步運動引起的響應振蕩的振幅(超調(diào)量)跟單步的增量直接相關(guān)。普通的驅(qū)動方式步距大，易引起較大的振幅，在系統(tǒng)自然諧振區(qū)內(nèi)，有可能造成電機的失步。驅(qū)動細分使單步距減小，即使在諧振區(qū)也不容易引起失步。振蕩減小，因而產(chǎn)生的噪聲也小。

3)提高電機轉(zhuǎn)矩輸出。

由驅(qū)動細分的原理可以知道，無論在高速還是低速，理論上只要細分夠高，就可以保證步進電機運行的平穩(wěn)性。但在實際應用中，細分數(shù)受限于硬件條件，不能任意設定。另外，一旦設定細分數(shù)，在電機運行中就不大可能更改。在這種前提下，可能由于電機較大的調(diào)速范圍，出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，小細分的狀況。在該情形下，驅(qū)動細分的優(yōu)勢就無法體現(xiàn)，步進電機的運行仍會出現(xiàn)振蕩，有明顯的“步進”感，并且產(chǎn)生噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

針對驅(qū)動細分不能再運行中任意更改情況下出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、低細分狀況，導致驅(qū)動細分效果不明顯，步進電機運行出現(xiàn)振蕩和噪聲的問題，本發(fā)明提供了一種利用曲線擬合預測脈沖周期進行驅(qū)動預細分的方法。

基于曲線擬合的步進電機預細分驅(qū)動方法，其特征在于包括以下步驟：

1）從細分表中獲取最大細分數(shù)m，從控制器中讀取最小時間單位——即可分辨最小時間；

2）從控制器中獲得當前設置的細分數(shù)n，檢測速度/細分數(shù)比值與閾值之差，若小于閾值，切換控制方式，獲得脈沖周期，更新擬合數(shù)據(jù)；若該差值大于或等于閾值，則返回步驟2）；

3）進行最小二乘曲線擬合；

4）根據(jù)前幾個周期步進電機運行的趨勢，計算未來一個時刻的預測值T1；

5）根據(jù)最大細分數(shù)和當前細分數(shù)分割T1；

6）根據(jù)分割后的T1，輸出控制信號；

7）重復上述步驟2）～6）。

進一步，步驟2）可由以下幾步組成：

2-1）從控制器中獲得當前設置的細分數(shù)n；

2-2）讀入一個脈沖周期；

2-3）檢測速度/細分數(shù)比值與閾值之差，若小于閾值，切換控制方式，否則返回步驟2-1）；

2-4）查看擬合數(shù)據(jù)個數(shù)，如果未達上限，添加一個數(shù)據(jù)，若此時數(shù)據(jù)量大于下限，進行曲線擬合，否則重復2-2）和2-3），直至數(shù)據(jù)個數(shù)達到下限；如果數(shù)據(jù)已滿，刪除最舊的一個數(shù)據(jù)，添加一個新數(shù)據(jù)。

進一步，步驟3）最小二乘曲線擬合可由以下幾步組成：

3-1）選取Legendre正交基函數(shù)f_i(x)和權(quán)系數(shù)w_i，設擬合曲線為S(x)=a₀f₀(x)+a₁f₁(x)+…+a_nf_n(x)；