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步进电机运动控制实现全闭环控制技巧

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供稿:中国工控网 2016/3/25 14:15:27

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  • 关键词: 步进电机 全闭环控制
  • 摘要:步进电机运动控制实现全闭环,是工控行业的一大难题。主要问题有两个,原点的不确定性和失步,目前,采用高速光电开关作为步进系统的原点,这个误差在毫米级,所以在精确控制领域,是不能接受的。

  步进电机由于体积精巧、价格低廉、运行稳定,在低端行业应用广泛,步进电机运动控制实现全闭环,是工控行业的一大难题。


  主要问题有两个,原点的不确定性和失步,目前,采用高速光电开关作为步进系统的原点,这个误差在毫米级,所以在精确控制领域,是不能接受的。另外,为了提高运行精度,步进电机系统的驱动采用多细分,有的大于16,假如用在往复运动过程中,误差大的惊人。已经不能适应加工领域。

  为此,提出步进电机全闭环控制系统,以适应目前运动控制领域的需求。

1、 硬件连接

硬件连接加装编码器,根据细分要求,采用不同等级的解析度编码器进行实时反馈。

2、 原点控制

根据编码器的Z信号,识别、计算坐标原点,同数控系统相同,精度可以达到2/编码器解析度×4。

3、 失步控制

根据编码器的反馈数据,实时调整输出脉冲,根据失步调整程度,采取相应办法。

下图是电路原理

步进电机全闭环控制原理图

 

4、 电路原理描述

电路采用超大规模电路FPGA,输入、输出可以达到兆级的相应频率,电源3.3V,利用2596开关电源,将24V转为3.3V,方便实用。

输入脉冲与反馈脉冲进行4倍频正交解码后计算,及时修正输出脉冲量和频率。

5、 应用描述

  本电路有两种模式,返回原点模式和运行模式。当原点使能开关置位时,进入原点模式,反之,进入运行模式。

  在原点模式,以同步于输入脉冲的频率输出脉冲,当碰到原点开关后,降低输出脉冲频率,根据编码器的Z信号,识别、计算坐标原点。返回原点完成后,输出信号。此信号及其数据在不断电的情况下,永远保持。

  在运行模式,以同步于输入脉冲的频率输出脉冲,同时计算反馈数据,假如出现误差,及时修正。另外,大惯量运行时,加减速设置不合理的情况下,可能会及时反向修正。

6、 技术指标

(1)输入输出相应频率:≤1M;

(2)脉冲同步时间误差:≤10ms;(主要延误在反向修正,不考虑反向修正,≤10us)

(3)重定位电气精度: ≥2/编码器解析度×4/马达解析度×细分)

(4)重定位原点电气精度≥2/编码器解析度×4/马达解析度×细分)

(5)适应PNP,NPN接口

(6)适应伺服脉冲控制

(7)适应各种编码其接口

  步进电机运动控制一旦解决上述问题,增加数百元成本的情况下可以实现全闭环控制,毫不逊色于伺服系统。特别是其价格低廉、控制简单、寿命长久的特点在某些场合,可能优于伺服系统。

 


审核编辑(王雪)
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