一种步进电机的控制方法
阅读说明：本技术 一种步进电机的控制方法 (Control method of stepping motor ) 是由 宋慧明 王�忠 于 2021-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及自动化控制技术领域,尤其是指一种步进电机的控制方法,包括脉冲测试器、第一PID控制器、第二PID控制器、第三PID控制器、第一处理器、第二处理器、编码器、两相电桥、电机,编码器、第一PID控制器均与脉冲测试器电性连接；第二PID控制器、第三PID控制器均与第一PID控制器电性连接,第二PID控制器、第三PID控制器均与第一处理器电性连接,第一处理器与两相电桥电性连接,两相电桥与电机电性连接,电机与编码器电性连接,根据定、转子磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值,进而分别对q轴分量和d轴分量加以控制,实现电磁转矩的控制,减少高温问题,能耗损失问题,与延长电机的使用寿命。(The invention relates to the technical field of automatic control, in particular to a control method of a stepping motor, which comprises a pulse tester, a first PID controller, a second PID controller, a third PID controller, a first processor, a second processor, an encoder, a two-phase bridge and a motor, wherein the encoder and the first PID controller are electrically connected with the pulse tester; the second PID controller and the third PID controller are electrically connected with the first PID controller, the second PID controller and the third PID controller are electrically connected with the first processor, the first processor is electrically connected with the two-phase bridge, the two-phase bridge is electrically connected with the motor, the motor is electrically connected with the encoder, the direction and the amplitude of a q-axis component and a d-axis component of stator current magnetic potential are determined according to an included angle theta between stator and rotor magnetic pole axes, and then the q-axis component and the d-axis component are controlled respectively, so that the control of electromagnetic torque is realized, the high temperature problem and the energy consumption loss problem are reduced, and the service life of the motor is prolonged.)
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是指一种步进电机的控制方法。
背景技术
在自动化控制领域，步进电机以其控制简单精准、价格低廉而被各自动化设备厂商所广泛使用，为保证步进电机走步精准，通常是采取恒电流最大扭矩运行，只要使用场景所需的扭矩不会超过最大扭矩，则步进电机就不会出现过冲和失步的情形，这也是目前在选型时主要的参考标准之一；该方式除了带来精准的走步外，还有随之而来的高温问题，能耗损失问题、也严重影响了电机的使用寿。
发明内容
发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。
一种步进电机的控制装置，包括脉冲测试器、第一PID控制器、第二PID控制器、第三PID控制器、第一处理器、第二处理器、编码器、两相电桥、电机，编码器、第一PID控制器均与脉冲测试器电性连接；第二PID控制器、第三PID控制器均与第一PID控制器电性连接，第二PID控制器、第三PID控制器均与第一处理器电性连接，第一处理器与两相电桥电性连接，两相电桥与电机电性连接，电机与编码器电性连接；第二处理器与第一PID控制器电性连接，第一处理器、第二处理器均与编码器电性连接。
作为优选，所述脉冲测试器用于测量电机的定子电流iα、iβ。
作为优选，所述第一PID控制器能够将输入的iα、iβ值转换成Id、Ip值后输出，转换公式为Id＝iα*cosθ+iβ*sinθ，Iq＝-iα*sinθ+iβ*cosθ。
作为优选，所述第二PID控制器能够输入Vα、Vβ值转换成Vq值输出，转换公式为Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ，Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ。
作为优选，所述第三PID控制器能够输入Vα、Vβ值转换成Vd值输出，转换公式为Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ，Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ。
作为优选，所述编码器能够获取当前电机的实际累计行程与电机的实际速度Vfbd值。
一种步进电机的控制方法，包括以下步骤：
S1、电流环：
a、测量两相电桥iα和iβ值，iα和iβ是相互正交的时变电流值，按照控制环上一次迭代计算出的变换角θ，来旋转2轴系统使之与转子磁通对齐；iα和iβ变量经过变换可得到Id和Iq，Id和Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流；在稳态条件下，Id和Iq是常量。
Id计算公式为：Id＝iα*cosθ+iβ*sinθ
Iq计算公式为：Iq＝-iα*sinθ+iβ*cosθ
b、误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得，其中Id的参考值控制转子磁通，Iq的参考值控制电机的转矩输出，误差信号是到PID控制器的输入，第二PID控制器的输出为Vq，第三PID控制器的输出为Vd，即要施加到电机上的电压矢量估算出新的变换角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是输入参数；
新的变换角θ可告知本算法下一个电压矢量在何处，通过使用新的变换角θ，可将第一PID控制器的Vd和Vq输出值逆变到静止参考坐标系，使第二PID控制器、第三PID控制器进行计算，该计算将产生下一个正交电压值Vα和Vβ值；
Vα计算公式为：Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ
Vβ计算公式为：Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ。
S2、速度环：
a、控制信号输入时(脉冲、总线)，可获取参考速度Vref；
b、通过编码器获取当前电机的实际速度Vfbd；
c、当Vref>Vfbd时，增加Iq参考值；Vref<Vfbd时，减少Iq参考值；
S3、位置环：
a、控制信号输入时(脉冲、总线)，可获取参考累计行程；
b、通过编码器获取当前电机的实际累计行程；
c、通过对比控制电机运转和静止；
S4、静止处理：
当电机静止时，通过传统控制方式输出一个静扭矩锁住电机，该静扭矩力可以进行配置，由配置的电流决定大小,θ为最后静止时的实际位置电角度；
检测电机两相反馈电流，对比输出设定的电流大小来调节输出，最终达到所需的静扭矩。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据定、转子磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值，进而分别对q轴分量和d轴分量加以控制，实现电磁转矩的控制，减少高温问题，能耗损失问题，与延长电机的使用寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图。
图2是电流视图。
图3是速度视图。
图中：第一PID控制器--1、第二PID控制器--2、第三PID控制器--3、第一处理器--4、第二处理器--5、编码器--6、两相电桥--7、电机--8、脉冲测试器--9。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种步进电机的控制装置，包括脉冲测试器9、第一PID控制器1、第二PID控制器2、第三PID控制器3、第一处理器4、第二处理器5、编码器6、两相电桥7、电机8，编码器6、第一PID控制器1均与脉冲测试器9电性连接；第二PID控制器2、第三PID控制器3均与第一PID控制器1电性连接，第二PID控制器2、第三PID控制器3均与第一处理器4电性连接，第一处理器4与两相电桥7电性连接，两相电桥7与电机8电性连接，电机8与编码器6电性连接；第二处理器5与第一PID控制器1电性连接，第一处理器4、第二处理器5均与编码器6电性连接。
所述脉冲测试器9用于测量电机8的定子电流iα、iβ。
所述第一PID控制器1能够将输入的iα、iβ值转换成Id、Ip值后输出，转换公式为Id＝iα*cosθ+iβ*sinθ，Iq＝-iα*sinθ+iβ*cosθ。
所述第二PID控制器2能够输入Vα、Vβ值转换成Vq值输出，转换公式为Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ，Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ。
所述第三PID控制器3能够输入Vα、Vβ值转换成Vd值输出，转换公式为Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ，Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ。
所述编码器6能够获取当前电机8的实际累计行程与电机8的实际速度Vfbd值。
电磁转矩与定子电流大小的关系并不是一个线性关系，事实上，只有定子旋转磁极对转子磁极的切向吸力才能产生带动转子旋转的电磁力矩；因此，可把定子电流所产生的磁势分解为两个方向的分量，沿着转子磁极方向的为直轴(或称d轴)分量，与转子磁极方向正交的为交轴(或称q轴)分量；显然，只有q轴分量才能产生电磁转矩；由此可见，不能简单地通过调节定子电流来控制电磁转矩，而是要根据定、转子磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值，进而分别对q轴分量和d轴分量加以控制，实现电磁转矩的控制。
一种步进电机的控制方法，包括以下步骤：
S1、电流环：
a、测量两相电桥7iα和iβ值，iα和iβ是相互正交的时变电流值，按照控制环上一次迭代计算出的变换角θ，来旋转2轴系统使之与转子磁通对齐；iα和iβ变量经过变换可得到Id和Iq，Id和Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流；在稳态条件下，Id和Iq是常量。
Id计算公式为：Id＝iα*cosθ+iβ*sinθ
Iq计算公式为：Iq＝-iα*sinθ+iβ*cosθ(参考图2)
b、误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得，其中Id的参考值控制转子磁通，Iq的参考值控制电机8的转矩输出，误差信号是到PID控制器的输入，第二PID控制器2的输出为Vq，第三PID控制器3的输出为Vd，即要施加到电机8上的电压矢量估算出新的变换角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是输入参数；
新的变换角θ可告知本算法下一个电压矢量在何处，通过使用新的变换角θ，可将第一PID控制器的Vd和Vq输出值逆变到静止参考坐标系，使第二PID控制器、第三PID控制器进行计算，该计算将产生下一个正交电压值Vα和Vβ值。
Vα计算公式为：Vα＝Vd*cosθ-Vq*sinθ
Vβ计算公式为：Vβ＝Vd*sinθ+Vq*cosθ(参考图2)
S2、速度环：
a、控制信号输入时(脉冲、总线)，可获取参考速度Vref。
b、通过编码器6获取当前电机8的实际速度Vfbd。
c、当Vref>Vfbd时，增加Iq参考值；Vref<Vfbd时，减少Iq参考值。
S3、位置环：
a、控制信号输入时(脉冲、总线)，可获取参考累计行程。
b、通过编码器6获取当前电机8的实际累计行程。
c、通过对比控制电机8运转和静止。
S4、静止处理：
当电机8静止时，通过传统控制方式输出一个静扭矩锁住电机8，该静扭矩力可以进行配置，由配置的电流决定大小,θ为最后静止时的实际位置电角度。
检测电机8两相反馈电流，对比输出设定的电流大小来调节输出，最终达到所需的静扭矩。
即通过配置的电流和反馈的电流由第二PID控制器2、第三PID控制器3通过第一处理器4变换后得到所需的Vα、Vβ大小。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。