一种步进电机传动系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种步进电机传动系统及其控制方法 (Stepping motor transmission system and control method thereof ) 是由 苏文德 朱凯 林红章 虞谦 王宇 刘若晨 冀雯宇 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种步进电机传动系统及其控制方法,包括步进电机、传动机构驱、滚珠丝杠和刀架；步进电机的动力输出轴通过传动机构驱与滚珠丝杠动力连接,在滚珠丝杠上固定装有刀架,通过滚珠丝杠控制刀架的进给,实现更高的同轴度和传动精度。针对上述步进电机传动系统,针对步进电机的控制以位置环为外环,以速度环为内环,实现位置环和速度环相融合,同时能够实现位置的精确调节与实现速度的自动控制。(The invention discloses a stepping motor transmission system and a control method thereof, wherein the stepping motor transmission system comprises a stepping motor, a transmission mechanism driver, a ball screw and a tool rest; the power output shaft of the stepping motor is in power connection with the ball screw through the transmission mechanism, the ball screw is fixedly provided with the tool rest, and the feeding of the tool rest is controlled through the ball screw, so that higher coaxiality and transmission precision are realized. Aiming at the stepping motor transmission system, the position ring is used as an outer ring and the speed ring is used as an inner ring for controlling the stepping motor, so that the position ring and the speed ring are fused, and meanwhile, the accurate adjustment of the position and the automatic control of the speed can be realized.)
技术领域
本发明属于电机及其控制技术领域，尤其是一种步进电机传动系统及其控制方法。
背景技术
技术进步正在改变步进电机和伺服电机之间的性价比，以满足各种苛刻的工业自动化应用。通过采用闭环技术，较便宜的步进电机正在进入到一些被认为只有更昂贵的伺服电机才适用的领域中。
对于开环步进电机，由于失去步数的风险使得高的瞬时转矩的要求很难实现。闭环步进电机可以实现很快的加速度，可以静音运行，与传统步进电机相比共振更少，并能在更高的带宽下运行。
在CNC机床中，伺服电机的成本对于每台机器的总体成本来说是主要的影响因素。单体的、安装在柜体内的伺服编码器所需的额外的电缆数量延长了安装时间，并且让维护工作更加复杂。如果对CNC机床做出改进，不再使用伺服电机，转而采用闭环步进电机，运动控制器和通讯协议仍保持不变。由于步进电机与电子系统集成在一起，需要的电缆更少，因此维护工作也更加简单。闭环步进电机可以实现很快的加速度，可以静音运行，与传统步进电机相比共振更少，并能在更高的带宽下运行。步进电机的电子系统与电机集成在一起，可以减少电缆接线，简化实施过程。
在步进电机单环闭环控制方法中，虽然单环控制已经能很好地提高步进电机的性能了，但是仍有其局限性。使用速度环精确控制了步进电机的转速，但是停止的位置我们难以精确控制；使用位置环来精确控制了步进电机转过的角度，却不得不人为限制速度来防止堵转。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种步进电机传动系统及其控制方法，既能够实现位置的精确调节，又能够实现速度的自动控制。
本发明所采用的技术方案如下：
一种步进电机传动系统的控制方法，向位置PID控制器输入目标位置作为期望值，然后向位置PID控制器输入编码器的实际转轴位置作为实际值，通过期望值和实际值求差得到位置偏差。把位置偏差输入速度PID控制器，作为速度PID控制器的期望值即目标速度；再向速度PID控制器输入编码器的转轴速度作为速度PID控制器的实际值，通过目标速度和实际值求差得到速度偏差；将速度偏差输入速度PID控制器，将速度PID控制器的计算结果输出给步进电机；实现对步进电机的控制。
进一步，针对步进电机的控制，以位置环为外环，以速度环为内环，实现位置环和速度环相融合。
进一步，所述位置PID控制器采用抗积分饱和PID控制器。
进一步，构建抗积分饱和PID控制器的方法为：
S1，将目标位置S(t)、实际转轴位置C(t)得到的位置偏差es(t)，根据位置偏差es(t)计算位置PID控制器的控制量us(t)，其中，es(t)＝S(t)-C(t)，Kp、TI和TD分别是比例控系数、积分控系数、微分控系数；
S2，判断计算出当前时刻t的微分控制量us(t)是否超出限制范围；
S3，若未超出限制范围，则将当前时刻的控制量us(t)作为系统的控制量；若us(t)大于等于系统的限幅值usmax，则只累加负偏差，真偏差则去掉积分作用；若us(t)小于等于系统的限幅值usmin，则只累加正偏差，负偏差则去掉积分作用。
进一步，所述速度PID控制器采用积分分离PID控制器。
进一步，构建积分分离PID控制器的方法为：
S1，把us(t)作为速度PID控制器的期望值；实际转轴位置C(t)作为速度PID控制器的实际值，由us(t)和C(t)得到速度偏差ev(t)；
S2，设定积分分离阈值ev，将速度偏差ev(t)的绝对值与积分分离阈值ev进行比较，判断是否需要进行积分部分；
S3，若ev(t)的绝对值大于等于积分分离阈值ev，则去掉积分环节，进行PID的比例环节和微分环节；若ev(t)的绝对值小于等于积分分离阈值ev，保留积分环节，进行PID的比例环节、积分环节和微分环节。
一种步进电机传动系统，包括步进电机、传动机构驱、滚珠丝杠和刀架；步进电机的动力输出轴通过传动机构驱与滚珠丝杠动力连接，在滚珠丝杠上固定装有刀架，通过滚珠丝杠控制刀架的进给，实现更高的同轴度和传动精度。
进一步，所述传动机构驱采用齿轮传动。
进一步，主动轮套装在步进电机的动力输出轴上，而从动轮套装在滚珠丝杠上，主动轮与从动轮啮合实现步进电机的动力传递到滚珠丝杠上。
进一步，步进电机的编码器安装在机床主轴的输出端，
本发明的有益效果：
本发明针对步进电机的控制，通过抗积分饱和PID控制器对位置环进行控制，能够有效抑制了积分控制量的饱和，减少输出反馈的过冲；另外，采用积分分离PID控制器对速度环进行控制，能够避免过渡积分引起较大的超调，进而消除系统的静差。且本发明将位置环和速度环控制融合在一起，各取其长处，既实现位置的精确调节又实现速度的自动控制。
本发明所设计的步进电机传动系统，该技术方案易于在数控机床进行改进，易于生产操作，能进行复杂元件的精加工，为企业节省大笔采购费，成本低。
附图说明
图1是本发明步进电机传动系统的结构示意图；
图2是本发明步进电机的控制系统示意图；
图中，1、步进电机，2、传动机构驱，3、滚珠丝杠，4、刀架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种步进电机传动系统，包括步进电机1、传动机构驱2、滚珠丝杠3和刀架4；步进电机1的动力输出轴通过传动机构驱2与滚珠丝杠3动力连接，具体地，本申请中的传动机构驱2采用齿轮传动，主动轮套装在步进电机1的动力输出轴上，而从动轮套装在滚珠丝杠3上，主动轮与从动轮啮合实现步进电机1的动力传递到滚珠丝杠3上。在滚珠丝杠3上固定装有刀架4，通过滚珠丝杠控制刀架4的进给，能够实现更高的同轴度和传动精度。刀架4在进行运动时由限位开关控制移动的极限距离。
步进电机1的编码器安装在机床主轴的输出端，根据输出端与主轴的传动比关系进行程序上的定义，主轴每旋转一圈编码器输出相应的脉冲信号，经主控芯片处理后传达给步进电机1进行相应的控制。上述技术方案易于在数控机床进行改进，易于生产操作，能进行复杂元件的精加工，为企业节省大笔采购费，成本低。
基于本申请所提出的步进电机传动系统，本申请还提出了一种步进电机传动系统的控制方法，如图2所示。采用位置环和速度环相融合的控制方法，以位置环为外环，以速度环为内环。
先向位置PID控制器输入目标位置作为期望值，然后向位置PID控制器输入编码器的实际转轴位置作为实际值，通过期望值和实际值求差得到位置偏差。把位置偏差输入速度PID控制器，作为速度PID控制器的期望值即目标速度；再向速度PID控制器输入编码器的转轴速度作为速度PID控制器的实际值，通过目标速度和实际值求差得到速度偏差；将速度偏差输入速度PID控制器，将速度PID控制器的计算结果输出给步进电机1；实现对步进电机1的控制，既能实现位置的精确调节又实现速度的自动控制。
在本实施例中，位置PID控制器采用抗积分饱和PID控制器，可以避免PID积分饱和问题，构建抗积分饱和PID控制器的方法为：
S1，将目标位置S(t)、实际转轴位置C(t)得到的位置偏差es(t)，根据位置偏差es(t)计算位置PID控制器的控制量us(t)，其中，es(t)＝S(t)-C(t)，Kp、TI和TD分别是比例控系数、积分控系数、微分控系数。
S2，判断计算出当前时刻t的微分控制量us(t)是否超出限制范围。
S3，若未超出限制范围，则将当前时刻的控制量us(t)作为系统的控制量；若us(t)大于等于系统的限幅值usmax，则只累加负偏差，真偏差则去掉积分作用；若us(t)小于等于系统的限幅值usmin，则只累加正偏差，负偏差则去掉积分作用。利用抗积分饱和PID控制器能够有效抑制了积分控制量的饱和，减少输出反馈的过冲。
速度PID控制器采用积分分离PID控制器，构建积分分离PID控制器的方法为：
S1，把us(t)作为速度PID控制器的期望值；实际转轴位置C(t)作为速度PID控制器的实际值，由us(t)和C(t)得到速度偏差ev(t)；
S2，设定积分分离阈值ev，将速度偏差ev(t)的绝对值与积分分离阈值ev进行比较，判断是否需要进行积分部分；
S3，若ev(t)的绝对值大于等于积分分离阈值ev，则去掉积分环节，进行PID的比例环节和微分环节；若ev(t)的绝对值小于等于积分分离阈值ev，保留积分环节，进行PID的比例环节、积分环节和微分环节；PID根据误差的大小改变积分部分的作用，能够避免过渡积分引起较大的超调，进而消除系统的静差。
本发明所提出的步进电机传动系统的控制方法，通过抗积分饱和PID控制器对位置环进行控制，能够有效抑制了积分控制量的饱和，减少输出反馈的过冲；另外，采用积分分离PID控制器对速度环进行控制，能够避免过渡积分引起较大的超调，进而消除系统的静差。通过位置环控制和速度环控制进行耦合，既实现位置的精确调节又实现速度的自动控制。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。