[发明专利]基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于步进驱动的位置随动控制系统，其特征在于：包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机和随动转台；所述的控制器接收上位机位置给定，完成转台的位置控制，并将频率指令即脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器，完成步进电机的控制；步进电机输出轴与减速机输入转轴相连，带动减速机转动；减速机输出轴与随动转台转轴相连，带动随动转台转动；所述的控制器包括处理器、上位机接口、脉冲输出信号和方向输出信号，所述的控制器通过上位机接口接收位置给定，在处理器中完成位置控制运算，通过脉冲输出信号、方向输出信号输出到步进电机驱动器，控制步进电机运行；

所述的处理器具备至少两个ARM定时器，所述处理器的位置控制运算包括位置给定、匹配系数、位置调节器、频率限制、频率变化率控制、频率输出和虚拟位置反馈，所述的处理器中以上位机的位置给定与虚拟位置反馈组成闭环位置控制，利用位置调节器的控制性能对步进电机加减速控制，实现位置随动系统的控制功能；

所述的匹配系数是将位置给定转换为位置给定脉冲数量,其计算式如式（1）：

(1)

式（1）中，为减速机速比，为步进驱动系统细分角（单位：度/脉冲）；

位置给定脉冲数量计算式为式（2）:

(2)；

所述的位置调节器的计算如式（3）：

(3)

为位置调节器的比例系数，为虚拟位置反馈，为期望输出频率；

所述的频率限制是为控制步进电机的最高转速，频率限制的计算式如式（4）：

(4)

式中为步进驱动系统的最大频率；

所述的频率变化率控制是防止步进电机驱动系统失步或过冲，对频率变化率限制实际作用是限制步进驱动系统的最大角加速度和最大角减速度，频率变化率控制的计算式如式（5）：

(5)

通过控制本次采样周期的期望输出频率与上次采样周期实际输出频率之间的差值实现输出频率的增量控制，即两次之间频率差值限定在之内，为步进驱动系统允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化率；

所述的频率输出是经过频率限制和频率变化率限制后的输出值利用ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号，同时依据的正负极性产生对应的方向信号，当时，方向输出信号为高电平，当，方向输出信号为低电平，脉冲输出信号和方向输出信号通过与步进电机驱动器之间的连接电缆传输给步进电机驱动器对应控制端；

所述的虚拟位置反馈是将ARM定时器2设置为编码器接口模式，且使能定时器2自动重载功能，实现定时器2计数值在随动平台连续旋转一圈后计数值自动循环，自动重载寄存器的值，计算式如式（6）：

（6）

将ARM定时器1产生对应频率的脉冲输出信号连接到ARM定时器2的脉冲输入端，将ARM定时器1产生方向输出信号连接到ARM定时器2的计算方向输入端，ARM定时器2的计数器值即为虚拟位置反馈。

2.一种如权利要求1所述的基于步进驱动的位置随动控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）初始化；

（2）读取上位机接收上位机位置给定，读取定时器2虚拟位置反馈；

（3）位置调节器计算，得出值；

（4）频率限制计算，得出值；

（5）频率变化率计算，得出值；

（6）更新值，；

（7）依据值更新定时器1脉冲输出信号和方向输出信号；

（8）本采样周期控制结束，下一采样周期从步骤 2）开始执行。