基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法，其控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台，控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将速度指令通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的速度控制。所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。所述的处理器以上位机位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，并通过最大频率限制、频率变化率的控制实现位置随动系统的控制功能。

【技术实现步骤摘要】
基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法
本专利技术涉及基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法，属于随动控制系统

技术介绍
位置随动系统是在给定的位置输入信号预先未知且随时间变化的控制系统，且系统位置输出量随位置输入量的变化而变化，通常驱动系统采用伺服电机驱动系统。步进电动机与步进电机驱动器组成的开环驱动系统，没有位置反馈元件，相比较采用伺服电机驱动，结构简单、价格低廉，在经济型设备中得到了广泛应用。步进电机位置控制目前主要采用两种方法，方法1：在预先知道位置输入的情况下，采用运动轨迹加减速规划方法，实现步进电机的位置控制，如中国专利申请号：CN201210422712.3，申请日：2012年10月30日，专利名称为：一种步进电机的控制系统及控制方法，该专利技术涉及一种步进电机的控制系统及控制方法，由数字信号处理模块依据位置指令产生指数型加减速曲线，控制步进电机定位，这是目前步进电机控制普遍采用的方法。方法2：在负载末端安装位置传感器，检测负载的实际位置作为位置反馈信号，实现位置闭环控制，如文献“步进电机闭环伺服系统的高精度控制”（制导与引信，2013年第3期）中的基于步进驱动的位置闭环控制系统。方法1是常用的步进驱动系统的位置控制方法，对应位置随动系统，其位置输入往往是未知的，因此难以采用轨迹规划的方式完成位置控制；方法2在位置控制系统增加位置传感器，作为位置反馈信号，可防止步进驱动失步或过冲，不足在于增加了硬件，系统复杂化，提高了位置控制系统的成本。
技术实现思路
为了解决上述不足，本专利技术提供了一种基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种基于步进驱动的位置随动控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将速度指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的速度控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动。所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。所述的处理器具备至少两个ARM定时器，所述处理器的位置控制运算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，并通过最大频率限制、频率变化率的控制实现位置随动系统的控制功能。所述的匹配系数是将位置给定转换为位置给定脉冲数量,其计算式如式（1）：(1)式（1）中，为减速机速比，为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；位置给定脉冲数量计算式为式（2）:(2)。所述的位置调节器的计算如式（3）：(3)为位置调节器的比例系数，为虚拟位置反馈，为期望输出频率。所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，频率限制的计算式如式（4）：(4)式中为步进驱动系统的最大频率（对应步进驱动系统的最高允许转速）。所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制的计算式如式（5）：(5)通过控制本次采样周期的期望输出频率与上次采样周期实际输出频率之间的差值实现输出频率的增量控制，即两次之间频率差值限定在之内，为步进驱动系统允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化率。所述的频率输出是经过频率限制和频率变化率限制后的输出值利用ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号，同时依据的正负极性产生对应的方向信号，当时，方向输出信号为高电平，当，方向输出信号为低电平，脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器对应控制端。所述的虚拟位置反馈是将ARM定时器2设置为编码器接口模式，且使能定时器2自动重载功能，实现定时器2计数值在随动平台连续旋转一圈后计数值自动循环，自动重载寄存器的值，计算式如式（6）：（6）将ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号连接到ARM定时器2的脉冲输入端，将ARM定时器1产生方向输出信号连接到ARM定时器2的计算方向输入端，ARM定时器2的计数器值即为虚拟位置反馈。一种基于步进驱动的位置随动控制系统的控制方法，包括如下步骤：（1）初始化；（2）读取上位机接收上位机位置给定，读取定时器2虚拟位置反馈；（3）位置调节器计算，得出值；（4）频率限制计算，得出值；（5）频率变化率计算，得出值；（6）更新值，；（7）依据值更新定时器1脉冲输出信号和方向输出信号；（8）本采样周期控制结束，下一采样周期从步骤（2）开始执行。本专利技术所达到的有益效果：（1）、本专利技术的系统通过利用对输出频率的双向计数，虚拟位置反馈，形成闭环位置随动系统的控制，可以充分利用闭环调节器的控制性能，实现基本步进驱动的随动控制；（2）、本专利技术的系统通过对频率变化率的控制，有效解决未知输入无法规划步进电机运动轨迹，可能造成的步进电机驱动时的失步或过冲。附图说明图1是本专利技术的组成示意图；图2是本专利技术的控制器组成示意图；图3是本专利技术的位置控制算法示意图；图4是本专利技术的控制流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。如图1所示，一种基于步进驱动的位置随动控制系统，包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令（脉冲输出信号和方向输出信号）通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动。如图2所示，所述的控制器，包括处理器（处理器具备至少具有两个定时器，本实例选择ARM芯片）、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。如图3所示，所述处理器的位置控制算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器中以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，利用位置调节器的控制性能对步进电机加减速控制，实现位置随动系统的控制功能；所示的匹配系数是将位置给定（单位：度）转换为位置给定脉冲数量(单位：个),计算式如式（1）：(1)式（1）中，为减速机速比，为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；位置给定脉冲数量计算式为式（2）:(2)所述的位置调节器计算如式（3）：(3)为位置调节器的比例系数，为虚拟位置反馈，为期望输出频率(类似电机控制中期望电机转速值)。所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，频率限制计算式如式（4）：(4)式中为步进驱动系统的最大频率（对应步进驱动系统的最高允许转速）。所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制计算式如式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动；所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。

【技术特征摘要】
1.一种基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动；所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行。2.根据权利要求1所述的基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：所述的处理器具备至少两个ARM定时器，所述处理器的位置控制运算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器中以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，利用位置调节器的控制性能对步进电机加减速控制，实现位置随动系统的控制功能。3.根据权利要求2所述的基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：所述的匹配系数是将位置给定转换为位置给定脉冲数量,其计算式如式（1）：(1)式（1）中，为减速机速比，为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；位置给定脉冲数量计算式为式（2）:(2)。4.根据权利要求3所述的基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：所述的位置调节器的计算如式（3）：(3)为位置调节器的比例系数，为虚拟位置反馈，为期望输出频率。5.根据权利要求3所述的基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，频率限制的计算式如式（4）：(4)式中为步进驱动系统的最大频率（对应步进驱动系统的最高允许转速）。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈桂，万其，乔贵方，高金凤，王建红，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32