浅谈一种步进电机系统分析自适应的插值方法

浅谈一种步进电机系统分析自适应的插值方法

金昌鑫1,白翠霞2

1、浙江沪龙科技股份有限公司，浙江省玉环市317600

2、浙江一木智能科技有限公司，浙江省宁波市315000

摘要：现代工业生产中各类的自动化和半自动化机器被广泛的应用，其中步进电机安全设备如安全和监控摄像头；在医疗行业，步进电机广泛应用于样品、数码牙科摄影、呼吸器、流体泵、血液分析机械和医疗扫描仪。也用于电梯、传送带和车道转向器等。在生产和日常生活中发挥这及其重要的作用，本文就一种步进电机系统分析自适应的插值方法进行浅析。

关键词：驱动控制模块，控制周期，脉冲

1、背景

在现在市面上步进机虽然应用普遍，但是仍然有很多的需要改进的地方，步进电机由于受到自身制造工艺的限制，步距角一般较大并且是固定的，步进的分辨率低，缺乏灵活性，在低频(脉冲信号频率低，步进电机转速低)运行时振动大、噪音高， 使机械装置容易疲劳或损坏。采用细分控制技术，可以提高步进电机的步距角分辨率，在一 定程度上克服这些缺点。但是采用高细分数，步进电机需要高速运转时，脉冲信号的频率也 要高，引起步进电机系统抗干扰能力差，可靠性降低，而采用低细分数，步距角相应增大，在 低频运行时仍然会有振动大、噪音高的问题，采用可变细分控制技术，需要实时改变细分数和脉冲频率，又会增加脉冲控制模块的复杂度，增大步进电机系统的成本。

2、步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，步进电机系 统通常由脉冲控制模块、驱动控制模块和步进电机组成，脉冲控制模块用于生成脉冲信号 输出至驱动控制模块，驱动控制模块每接收到一个脉冲信号，就以固定的步距角驱动步进 电机转动一个角度或前进一步。步进电机的角位移或线位移与脉冲信号的数量成正比，转 速与脉冲信号的频率成正比。

提出一种步进电机系统细分自适应插值方法，该方法通过在脉冲控制模块和驱动控制模块之间增加细分自适应插值模块，该细分自适应插值 模块对脉冲控制模块输出的低细分脉冲信号进行插值处理后生成高分辨率的步距角，驱动控制模块基于该高分辨率的步距角控制步进电机的转动，使步进电机系统在脉冲控制模块 输出的低细分脉冲信号频率较低情况下，具有较小的振动和较低的噪音。

3、技术解决方案

步进电机系统控制细分自适应插值方法，步进电机系统包括用于输出低细分脉冲信号的脉冲控制模块、驱动控制模块和步进电机，脉冲分配电路有两个输入信号:步进脉冲和转相控制。脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生四相激励信号，此激励信号经过驱动电路送至步进电机，控制步进电机向某一方向转动,此激励信号的频率决定了步进电机的转速。将的步进电机的整步步距角记为θ，将的脉冲控制模块的细分数记为a，将的驱动控制模块的控制周期记为T，的步进电机系统还包括用于检测的脉冲控制模块输出的低细分脉冲信号并将该低细分脉冲信号进行插值处理得到对应的步距角输出的细分自适应插值模块的驱动控制模块用于接入的细分自适应插值模块输出的步距角，且在其当前控制周期按照接入的步距角控制的步进电机步进；将的细分自适应插值模块的插值最高细分数记为b，b/a为大于1的正整数的步进电机系统控制细分自适应插值方法具体为：当的细分自适应插值模块检测到第k个低细分输入脉冲，k＝1、2、3、……，细分自适应插值模块进入第k个插值周期。 

驱动控制模块进入第k个控制阶段的第个控制周期，将步进数置1，细分自适应插值模块在第1个控制周期输出大小为 度的步距角，驱动控 制模块控制步进电机在该  控制周期中步进 度，其中，当k 小于3时，N‑1＝N0＝b/a，当k大于等于3时，Nk‑1为第k‑1个插值周期累加的步进数最终值，Nk‑2 为第k‑2个插值周期累加的步进数最终值，驱动控制模块完成第k个控制阶段的第1个控 周期后进入第k个控制阶段的第2个控制周期，从驱动控制模块进入第k个控制阶段的第2个控制周期开始，在每个控制周期，细分自适应插值模块均输出大小为度的步距角，驱动控制模块控制步进电机在该控制周期中步进度，直至细分自适应插值模块检测到第k+1个低细分输入脉冲，此时驱动控制模块的第k个控制阶段结束，细分自适应插值模块进入第k+1个插值周期，驱动控制模块进入第k+1个控制阶段的第1个控制周期，如此循环，周而复始，另外，在每个插值周期，从驱动控制模块进入其对应控制阶段的第2个控制周期开始，驱动控制模块每完成1个控制周期，步进数累加1，直至步进数等于b/a，由此能够将低细分脉冲信号下的步距角采用细分自适应插值技术，插值成高细分脉冲信号距角，即高分辨率的步距角，驱动控制模块基于该高分辨率的步距角控制步进电机的转 动，使步进电机系统在脉冲控制模块输出的低细分脉冲信号频率较低情况下，具有较小的 振动和较低的噪音。

4、流程示意图

5、具体实施方式

步进电机系统包括用于输出低细分脉冲信号的脉冲控制模块、驱动控制模块和步进电机，将步进电机的整步步距角记为θ，将脉冲控制模块的细分数记为a，将驱动控制模块的控制周期记为T，步进电机系统还包括用于检测脉冲控制模块输出的低细分脉冲信号并将该低细分脉冲信号进行插值处理得到对应的步距角输出的细分自适应插值模块，驱动控制模块用于接入细分自适应插值模块输出的步距角，且在其当前控制周期按照接入的步距角控制步进电机步进；将细分自适应插值模块的插值最高细分数记为b，b/a为大于1的正整数，步进电机系统 控制细分自适应插值方法具体为：当细分自适应插值模块检测到第k个低细分输入脉冲，k ＝1、2、3、……，细分自适应插值模块进入第k个插值周期，此时驱动控制模块进入第k个控 制阶段的第1个控制周期，将步进数置1，细分自适应插值模块在第1个控制周期输出大小为度的步距角，驱动控制模块控制步进电机在该控制周期中步进度，其中，当k小于3时，N‑1＝N0＝b/a，当k大于等于 3时，Nk‑1为第k‑1个插值周期累加的步进数最终值，Nk‑2为第k‑2个插值周期累加的步进数最终值，驱动控制模块完成第k个控制阶段的第1个控制周期后进入第k个控制阶段的第2个控制周期，从驱动控制模块进入第k个控制阶段的第2个控制周期开始，在每个控制周期，细分自适应插值模块均输出大小为 度的步距角，驱动控制模块控制步进电机在该控制周 期中步进 度，直至细分自适应插值模块检测到第k+1个低细分输入脉冲，此时驱动控制模块的第k个控制阶段结束，细分自适应插值模块进入第k+1个插值周期，驱动控制模块进入第k+1个控制阶段的第1个控制周期，如此循环，周而复始，；另外，在每个插值周期，从驱动控制模块进入其对应控制阶段的第2个控制周期开始，驱动控制模块每完成1个控制周期，步进数累加1，直至步进数等于b/a。 以下以1 .8度整步步距角的步进电机为例，设置驱动控制模块的细分数为4，设置插值最高细分数为1024，控制周期为T，对本发明的步进电机系统控制细分自适应插值方法 进行说明：当细分自适应插值模块检测到第1个低细分输入脉冲，步进数置1，细 分自适应插值模块在驱动控制模块的每个控制周期均输出度步距角，驱动控制模块在 每个控制周期内均用该步距角驱动步进电机，且从第2个控制周期开始，每完成一个控制周 期，步进数累加1，直至步进数累计到1024/4＝256或者检测到第2个低细分输入脉冲时停止 累计。 当细分自适应插值模块检测到第2个低细分输入脉冲时，步进数重 新置1，设第1个低细分输入脉冲和第2个低细分输入脉冲之间的步进数为N1 (N1小于等于 1024/4＝256)，当前步进数为1时，驱动控制模块进入第1个控制周期，在第1个控制周期，细分自适应插值模块输出的步距角为度，驱动控制模块在该控制周期内用该步距角驱动步进电机，从第2个控制周期开始，细分自适应插值模块输出的步距角为度，驱动控制模块在每个控制周期内用该步距角驱动步进电机，且从第2个控制周期开始，每完成一个控制周期，步进数累加1，直至步进数累计到1024/4＝256或者检测到第 3个低细分输入脉冲时停止累计。当细分自适应插值模块检测到第3个低细分输入脉冲时，步进数重新置1，设第1个低细分输入脉冲和第2个低细分输入脉冲之间的步进数为N1，设第2个低细分输入脉冲和第 3个低细分输入脉冲之间的步进数为N2，当前步进数为1时，驱动控制模块进入第1个控制周期，在第1个控制周期，细分自适应插值模块输出的步距角，驱动控制模块在该控制周期内用该步距角驱动步进电机，从第2个控制周期开始，细分自适应插值模块输驱动控制模块在每个控制周期内用该步距角驱动步进 电机，且从第2个控制周期开始，每完成一个控制周期，步进数累加1，直至步进数累计到 1024/4＝256或者检测到第3个低细分输入脉冲时停止累计。当检测到第k个低细分输入脉冲时，步进数重新置1，设第k‑2个低细分 输入脉冲和第k‑1个低细分输入脉冲之间的步进数为Nk‑2，设第k‑1个低细分输入脉冲和第k个低细分输入脉冲之间的步进数为Nk‑1，当前步进数为1时，驱动控制模块进入第1个控制周 期，在第1个控制周期，细分自适应插值模块输出的步距角为度，驱动控制模块在该控制周期内用该步距角驱动步进电机，从第2个控制周期开始，细分自适应插值模块输出的步距角为度，驱动控制模块在每个控制周期内用该步距角驱动步进电机。

6、结语：

在工业被控设备对位移和角度控制精度要求较高的场所步进电机应用很多，通过在脉冲控制模块和驱动控制模块之间增加细分自适应插值模块，该细分自适应插值模块对脉冲控制模块输出的低细分脉冲信号进行插值处理后生成高分辨率的步距角，驱动 控制模块基于该高分辨率的步距角控制步进电机的转动，在这种插值方法下进步机电机的噪音能有效程度的降低。

参考文献：

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[2]朴海国,王志新.基于 CPSO 的 PID 神经网络及偏航电机控制策略[J].电机与控制学报,2010.

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