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步进电机的全闭环控制系统

2016-1-11 15:55:53

3943 步进电机控制系统光电开关编码器

为适应步进电机的运动控制领域需求，提出了步进电机的全闭环控制系统。通过编码器实时反馈，调整脉冲的输出，采取相应的办法。

步进电机由于结构简单、维修方便、没有积累误差，运行稳定，而且制作价格低廉，所以在很多低端的行业有着应用广泛。

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

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、威廉希尔官方网站指标

(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。

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