一种步进电机的失速检测系统和方法与流程

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种步进电机的失速检测系统和方法。


背景技术：

2.步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机的失速包括丢步和越步，其中丢步时转子前进的步数小于脉冲数，越步时转子前进的步数多于脉冲数。
3.目前通常采用霍尔传感器进行位置检测来判断步进电机是否发生失速的情况，但是传感器的检测周期需要经过多个完整的弦波电流周期，存在检测时间长的问题，降低了失速检测的响应速度。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供的步进电机的失速检测系统和方法，其解决了现有技术中的步进电机的失速检测系统存在检测时间长的问题。
5.第一方面，本发明提供一种步进电机的失速检测系统，所述检测系统包括：弦波生成器、电流控制环路和失速检测单元；所述弦波生成器使用时与外部控制器相连，用于根据外部控制器输出的速度控制信号，生成弦波电流信号；所述电流控制环路使用时与步进电机相连，还与所述弦波生成器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并根据比较结果输出电流控制信号，使所述电流控制信号再反馈控制所述步进电机的线圈电流信号；所述失速检测单元与所述弦波生成器和所述电流控制环路相连，用于根据所述弦波电流信号和所述电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对所述反电动势参数进行分析得到失速检测结果。
6.可选地，所述电流控制环路包括：电流检测器、电流比较器、电流控制单元和驱动控制单元；所述电流检测器与所述步进电机相连，用于实时采样步进电机的线圈电流信号；所述电流比较器分别与所述弦波生成器和所述电流比较器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并生成比较结果；所述电流控制单元与所述电流比较器相连，用于根据所述比较结果生成电流控制信号；所述驱动控制单元与所述电流控制单元和步进电机相连，用于根据所述电流控制信号驱动步进电机的运行。
7.可选地，所述检测系统还包括：电机速度检测器，用于实时检测步进电机的当前运行速度，并判断所述步进电机是否处于匀速运行状态。
8.第二方面，本发明提供一种步进电机的失速检测方法，所述方法包括：控制步进电机处于匀速运行状态，且控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内；根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数；将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果。
9.可选地，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，包括：获取步进电机的当前线圈电流；将所述当前线圈电流与弦波电流信号进行比
较，若所述当前线圈电流大于弦波电流幅值时生成第一控制信号，使所述第一控制信号减小步进电机的线圈电流；若所述当前线圈电流小于弦波电流幅值时生成第二控制信号，使所述第二控制信号增大步进电机的线圈电流。
10.可选地，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内之前，所述方法还包括：获取控制步进电机处于匀速运行状态的速度控制信号；根据所述速度控制信号生成所述弦波电流信号。
11.可选地，在将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果之前，所述方法还包括：控制所述步进电机处于空载匀速运行状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在空载时的第一反电动势参数；控制所述步进电机处于完全失速状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在失速时的第二反电动势参数；其中，所述预设参数值包括所述第一反电动势参数和第二反电动势参数。
12.可选地，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，包括：若所述当前反电动势参数位于所述第一反电动势参数与所述第二反电动势参数之间，且所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值大于第一预设阈值时，确定所述失速检测结果为正常状态。
13.可选地，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，还包括：若所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值小于第二预设阈值时，确定所述失速检测结果为失速状态。
14.可选地，根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数的计算公式为：
[0015][0016]
其中，eb为反电动势，k为步进电机常数，n为绕组线圈匝数，l为绕组线圈电感值，i为绕组线圈上的电流，t为时间信号，n为步进电机的转速。
[0017]
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0018]
本发明中的电流控制环路通过将弦波生成器输出的弦波电流信号与步进电机的线圈电流信号进行比较，再根据比较结果控制步进电机的运行，使步进电机的线圈电流稳定在一定的电流区间范围内；进而，当电机平稳运行后，失速检测单元根据弦波生成器输出的弦波电流信号和电流控制环路输出的电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对所述反电动势参数进行分析得到失速检测结果；因此，本实施例通过检测步进电机的反电动参数，对步进电机的运行状态进行实时监测，从而能够在步进电机发生失速时快速响应，避免对电机的过度驱动。
附图说明
[0019]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0020]
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，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0021]
图1所示为本发明实施例提供的一种步进电机的失速检测系统的结构示意图；
[0022]
图2所示为本发明实施例提供的一种步进电机的失速检测方法的流程示意图；
[0023]
图3所示为本发明实施例提供的另一种步进电机的失速检测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0024]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。本发明实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。
[0025]
第一方面，本发明提供一种步进电机的失速检测系统，具体包括以下实施例：
[0026]
图1所示为本发明实施例提供的一种步进电机的失速检测系统的结构示意图，如图1所示，所述步进电机的失速检测系统具体包括：
[0027]
弦波生成器、电流控制环路和失速检测单元；
[0028]
所述弦波生成器使用时与外部控制器相连，用于根据外部控制器输出的速度控制信号，生成弦波电流信号；
[0029]
所述电流控制环路使用时与步进电机相连，还与所述弦波生成器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并根据比较结果输出电流控制信号，使所述电流控制信号再反馈控制所述步进电机的线圈电流信号；
[0030]
所述失速检测单元与所述弦波生成器和所述电流控制环路相连，用于根据所述弦波电流信号和所述电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对所述反电动势参数进行分析得到失速检测结果。
[0031]
本实施例中的电流控制环路通过将弦波生成器输出的弦波电流信号与步进电机的线圈电流信号进行比较，再根据比较结果控制步进电机的运行，使步进电机的线圈电流稳定在一定的电流区间范围内；进而，当电机平稳运行后，失速检测单元根据弦波生成器输出的弦波电流信号和电流控制环路输出的电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对所述反电动势参数进行分析得到失速检测结果；因此，本实施例通过检测步进电机的反电动参数，对步进电机的运行状态进行实时监测，从而能够在步进电机发生失速时快速响应，避免对电机的过度驱动。
[0032]
在本实施例中，所述电流控制环路包括：电流检测器、电流比较器、电流控制单元和驱动控制单元；所述电流检测器与所述步进电机相连，用于实时采样步进电机的线圈电流信号；所述电流比较器分别与所述弦波生成器和所述电流比较器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并生成比较结果；所述电流控制单元与所述电流比较器相连，用于根据所述比较结果生成电流控制信号；所述驱动控制单元与所述电流控制单元和步进电机相连，用于根据所述电流控制信号驱动步进电机的运行。
[0033]
可选地，所述检测系统还包括：电机速度检测器，用于实时检测步进电机的当前运行速度，并判断所述步进电机是否处于匀速运行状态。
[0034]
需要说明的是，如图1所示，弦波生成器101基于步进电机工作模式和速度控制信号输出完整的周期的弦波电流信号，弦波生成器101给电流控制单元102提供完整弦波信号用于运算。弦波生成器101的输入信号是步进电机的速度控制信号，该速度控制信号代表电机旋转是周期性的运动，以此产生的弦波电流变化也是呈周期性的。电流检测器106采集步进电机线圈上的电流并将采集结果实时反馈给电流比较器105，电流比较器105实时检测步进电机的线圈电流与完整弦波电流的差异，并将比较结果反馈给电流控制单元102；电流控制单元102产生控制信号输出到驱动控制单元104。如果电流大于弦波电流幅值就改变控制方法减小电流，如果电流小于弦波电流的幅值就改变控制方法增大电流。当步进电机停在某一步时，电流稳定在一个区间范围内，这就是电流环路控制的结果。本实施例基于以上电流控制环路结果，满足了检测失速的先决条件。失速检测单元103的第一输入为弦波电流信号，第二输入为电流控制信号。失速检测单元103在空载、完全失速和正常带载下运行电机，分别利用步进电机电流控制环路电流控制的变化与反电动势相关参数的联系，对弦波电流完整信号和电流控制信号进行运算和数据处理，得到反电动势相关参数，分析运算结果，得到电机是否失速的结论。
[0035]
第二方面，本发明提供一种步进电机的失速检测方法，具体包括以下实施例：
[0036]
实施例三
[0037]
图2所示为本发明实施例提供的一种步进电机的失速检测方法的流程示意图，如图2所示，所述步进电机的失速检测方法具体包括以下步骤：
[0038]
步骤s101、控制步进电机处于匀速运行状态，且控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内；
[0039]
步骤s102、根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数；
[0040]
步骤s103、将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果。
[0041]
在本实施例中，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，包括：获取步进电机的当前线圈电流；将所述当前线圈电流与弦波电流信号进行比较，若所述当前线圈电流大于弦波电流幅值时生成第一控制信号，使所述第一控制信号减小步进电机的线圈电流；若所述当前线圈电流小于弦波电流幅值时生成第二控制信号，使所述第二控制信号增大步进电机的线圈电流。
[0042]
在本实施例中，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内之前，所述方法还包括：获取控制步进电机处于匀速运行状态的速度控制信号；根据所述速度控制信号生成所述弦波电流信号。
[0043]
在本实施例中，在将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果之前，所述方法还包括：控制所述步进电机处于空载匀速运行状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在空载时的第一反电动势参数；控制所述步进电机处于完全失速状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在失速时的第二反电动势参数；其中，所述预设参数值包括所述第一反电动势参数和第二反电动势
参数。
[0044]
在本实施例中，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，包括：若所述当前反电动势参数位于所述第一反电动势参数与所述第二反电动势参数之间，且所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值大于第一预设阈值时，确定所述失速检测结果为正常状态。
[0045]
在本实施例中，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，还包括：若所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值小于第二预设阈值时，确定所述失速检测结果为失速状态。
[0046]
在本实施例中，根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数的计算公式为：
[0047][0048]
其中，eb为反电动势，k为步进电机常数，n为绕组线圈匝数，l为绕组线圈电感值，i为绕组线圈上的电流，t为时间信号，n为步进电机的转速。
[0049]
需要说明是的，在空载、完全失速和正常带载下运行电机，分别利用电流控制环路中电流控制的变化与反电动势相关参数的联系，对弦波电流完整信号和电流控制信号进行运算和数据处理。这种算法的前提条件是弦波发生器产生周期的弦波电流信号和电流控制环路对电流稳定性的严格把控。具体检测过程如图3所示，首先在步骤001中对步进电机的旋转速度进行检测。电机应当是匀速旋转下，该失速检测算法的结果才有效。反电动势的大小与速度呈正相关。然后，在步骤002中将步进电机在的负载减至零，让电机空载运行，并通过步骤005保持步进电机电流稳定性，在步骤008中获得反电动势相关参数结果1。再以类似步骤获取步骤009和步骤010。在步骤011中，分析步骤008、步骤009、步骤010的数据处理结果。步骤010的数据输出结果应该在步骤008和步骤009之间。步骤008和步骤009的数据结果差异明显。正常运行下，步骤010的运算结果与步骤008和步骤009的运算结果差值都不接近零，并远大于步骤009运算结果。失速运行下，步骤010的运算结果远远小于步骤008的运算结果，并与步骤009的运算结果的差值接近零。通过量化的反电动势相关参数的值，实现检测步进电机是否失速的功能。
[0050]
本发明中反电动势算法的运用了电机反电动势产生的原理。反电动势产生是在电枢中通过线圈产生了磁场，电枢在转动过程中，与磁场相互作用会引起感应电动势。这个感应电动势的极性与励磁电动势的极性相反，因此称为反电动势。反电动势的大小实际上是短时间内磁通量的变化。反电动势的计算公式为：eb＝k*dφ/dt*n，其中eb是反电动势，k是电机常数，φ是电机的磁通量，n是电机的转速。dφ/dt＝n*di/dt*l，n是绕组线圈匝数，l是绕组线圈电感值，i为绕组线圈上的电流。本发明中弦波生成器产生关键电流信号，电流控制信号产生关键时间信号，通过计算可获得反电动势参数。由计算的反电动势参数的变化检测电机旋转状态。
[0051]
需要说明的是，根据不同的旋转速度获得的数据处理结果也是不相同的，本发明的方法和系统只适用于匀速旋转的步进电机，因速度变化导致的完整弦波电流信号的改变，需要在不同状态下运行电机，更新反电动势相关参数的值。
[0052]
需要说明的是弦波生成器101的速度输入控制方法不作限制。比如周期性脉冲信
号或是固定周期下的脉冲个数选择等，本发明中不作限制。因反电动势大小与电流幅值正相关，所以本发明所指的完整弦波电流信号的幅度默认是固定的。如果弦波电流信号改变，需要在不同状态下运行步进电机，重新计算电机的反电动势相关参数的值。
[0053]
最后需要说明的上，正常带载运行时得到的数据处理结果应该是在完全失速和完全空载下运行的结果值范围内。当发生失速时，带载运算结果与空载时运算结果差值相差大，与完全失速的值接近。根据这种运算结果规律，将实时检测到的运算结果与完全失速检测到的运行结果相比较，如果该值与完全失速的运算结果的差值接近零，并且远远小于空载时的运算结果，那么就判断为失速。
[0054]
电机反电动势产生的原理是在电枢中通过线圈产生了磁场，电枢在转动过程中，与磁场相互作用会引起感应电动势。这个感应电动势的极性与励磁电动势的极性相反，因此称为反电动势。电机转动时，反电动势的方向与励磁电压方向相反，他的大小与电机实际的运行速度成正比。因此该方法适用于电机匀速旋转时，检测是否失速，如果步进电机速度不断的变化，那么估算出的反电动势相关参数就是不准确的。本发明中的失速检测方法与超时等待机制不同，不需要等待多个完整的弦波电流信号周期。本发明中的方法在发生失速时，检测到的数据在一个周期内会发生明显变化。当数据发生明显变化就检测到失速。降低了对电机旋转速度的限制。
[0055]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0056]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种步进电机的失速检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：弦波生成器、电流控制环路和失速检测单元；所述弦波生成器使用时与外部控制器相连，用于根据外部控制器输出的速度控制信号，生成弦波电流信号；所述电流控制环路使用时与步进电机相连，还与所述弦波生成器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并根据比较结果输出电流控制信号，使所述电流控制信号再反馈控制所述步进电机的线圈电流信号；所述失速检测单元与所述弦波生成器和所述电流控制环路相连，用于根据所述弦波电流信号和所述电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对所述反电动势参数进行分析得到失速检测结果。2.如权利要求1所述的步进电机的失速检测系统，其特征在于，所述电流控制环路包括：电流检测器、电流比较器、电流控制单元和驱动控制单元；所述电流检测器与所述步进电机相连，用于实时采样步进电机的线圈电流信号；所述电流比较器分别与所述弦波生成器和所述电流比较器相连，用于将所述步进电机的线圈电流信号与所述弦波电流信号进行比较，并生成比较结果；所述电流控制单元与所述电流比较器相连，用于根据所述比较结果生成电流控制信号；所述驱动控制单元与所述电流控制单元和步进电机相连，用于根据所述电流控制信号驱动步进电机的运行。3.如权利要求2所述的步进电机的失速检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：电机速度检测器，用于实时检测步进电机的当前运行速度，并判断所述步进电机是否处于匀速运行状态。4.一种基于权利要求1所述的步进电机的失速检测系统的失速检测方法，其特征在于，所述方法包括：控制步进电机处于匀速运行状态，且控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内；根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数；将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果。5.如权利要求4所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，包括：获取步进电机的当前线圈电流；将所述当前线圈电流与弦波电流信号进行比较，若所述当前线圈电流大于弦波电流幅值时生成第一控制信号，使所述第一控制信号减小步进电机的线圈电流；若所述当前线圈电流小于弦波电流幅值时生成第二控制信号，使所述第二控制信号增大步进电机的线圈电流。6.如权利要求4所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，控制步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内之前，所述方法还包括：
获取控制步进电机处于匀速运行状态的速度控制信号；根据所述速度控制信号生成所述弦波电流信号。7.如权利要求4所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，在将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果之前，所述方法还包括：控制所述步进电机处于空载匀速运行状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在空载时的第一反电动势参数；控制所述步进电机处于完全失速状态，且当前步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号之间的误差在预设误差范围内，根据所述弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机在失速时的第二反电动势参数；其中，所述预设参数值包括所述第一反电动势参数和第二反电动势参数。8.如权利要求7所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，包括：若所述当前反电动势参数位于所述第一反电动势参数与所述第二反电动势参数之间，且所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值大于第一预设阈值时，确定所述失速检测结果为正常状态。9.如权利要求8所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，将所述当前反电动势参数与预设参数值进行分析比较，并根据分析结果得到失速检测结果，还包括：若所述当前反电动势参数与所述第二反电动势参数的差值小于第二预设阈值时，确定所述失速检测结果为失速状态。10.如权利要求4所述的步进电机的失速检测方法，其特征在于，根据弦波电流信号和电流控制信号计算出步进电机的当前反电动势参数的计算公式为：其中，e
b
为反电动势，k为步进电机常数，n为绕组线圈匝数，l为绕组线圈电感值，i为绕组线圈上的电流，t为时间信号，n为步进电机的转速。

技术总结
本发明提供步进电机的失速检测系统和方法，所述系统包括：弦波生成器用于根据外部控制器输出的速度控制信号，生成弦波电流信号；电流控制环路用于将步进电机的线圈电流信号与弦波电流信号进行比较，并根据比较结果输出电流控制信号，使所述电流控制信号再反馈控制所述步进电机的线圈电流信号；失速检测单元用于根据所述弦波电流信号和所述电流控制信号计算出步进电机的反电动势参数，并对反电动势参数进行分析得到失速检测结果；本发明解决了现有技术中的步进电机的失速检测系统存在检测时间长的问题，通过检测步进电机的反电动参数，对步进电机的运行状态进行实时监测，从而能够在步进电机发生失速时快速响应，避免对电机的过度驱动。机的过度驱动。机的过度驱动。


技术研发人员：简丹 罗新雨 郭伟
受保护的技术使用者：重庆中科芯亿达电子有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/20