本發(fā)明屬于步進電機控制，更具體地，涉及一種大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法。

背景技術(shù)：

1、步進電機系統(tǒng)能夠提供精準轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角控制、提供各級轉(zhuǎn)矩，廣泛應用于測控、工程機械、數(shù)控設(shè)備和機器人能等諸多領(lǐng)域。大扭矩步進電機在采礦、機械制造加工等領(lǐng)域具有廣闊的市場。

2、大扭矩步進電機具有結(jié)構(gòu)復雜、體積和質(zhì)量大、價格高等問題，制約了其廣泛應用。小功率步進電機則具有結(jié)構(gòu)簡單、體積和質(zhì)量小、價格低等優(yōu)勢，但其較小的轉(zhuǎn)矩輸出能力無法實現(xiàn)在大扭矩領(lǐng)域的應用。由步進電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線可知，要提高步進電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，可以通過降低步進電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)，但步進電機存在轉(zhuǎn)矩輸出的極值(最大值)，并不能無限制提高，而且當步進電機轉(zhuǎn)速降低后，存在和步進電機固有頻率重疊而引起振動或共振的風險。通過對小轉(zhuǎn)矩步進電機進行級聯(lián)方式提升步進電機系統(tǒng)扭矩的理論和實踐較少，目前還處于萌芽階段。有限的關(guān)于步進電機級聯(lián)的方案一般采用步進電機輸出軸剛性連接的方案，缺點是無法提供步進電機系統(tǒng)在負載變化的工況下實時地并入或者斷開需要增加扭矩的步進電機，只有把步進電機停轉(zhuǎn)，才能把剛性連接部分完成嚙合，不能滿足工程應用的實時性要求。當多個步進電機合并成系統(tǒng)時，還需要根據(jù)步進電機個數(shù)、負載大小，調(diào)整各步進電機的驅(qū)動電流、pwm頻率等參數(shù)。在調(diào)整pwm頻率時，還應考慮步進電機系統(tǒng)的固有頻率，避免與之共頻或重疊，以此預防系統(tǒng)振動和共振。信號傳輸一般也僅用有線傳輸，當系統(tǒng)處于強電磁環(huán)境的工況下時，應考慮信號，尤其是控制信號和傳感器信號傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，應通過光電隔離、無線通信等方式解決此類問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決小扭矩步進電機不能提供大扭矩的問題，通過級聯(lián)的方式把多個小扭矩步進電機進行整合，可以提高步進電機系統(tǒng)的輸出扭矩。在調(diào)整步進電機系統(tǒng)pwm頻率時應避免和系統(tǒng)固有頻率重疊，防止振動和共振的發(fā)生。信號傳輸應盡量采用光電隔離、無線通信、有線通信的多模式，以此提高可靠性和準確性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一種大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，包括步進電機1、步進電機2、進動機構(gòu)、控制器和轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機1兩側(cè)均有旋轉(zhuǎn)軸伸出，步進電機1尾部的旋轉(zhuǎn)軸上都安裝了傳動摩擦片，所述步進電機1的一端輸出軸連接負載，其上安裝有轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機2的旋轉(zhuǎn)軸上安裝了傳動摩擦片，所述步進電機2的傳動摩擦片與步進電機1遠離負載的傳動摩擦片嚙合，所述控制器與進動機構(gòu)、步進電機1、步進電機2和轉(zhuǎn)矩傳感器連接；

4、當轉(zhuǎn)矩傳感器測得負載轉(zhuǎn)矩p大于單個步進電機扭矩輸出的最大值pmax時，即

5、p≥pmax??????(1)

6、此時，步進電機控制器讀取轉(zhuǎn)矩測量傳感器的值并判斷式(1)成立，控制器會向步進電機2下面的進動機構(gòu)發(fā)出移動固定步長的命令，以此實現(xiàn)和前端步進電機1的傳動摩擦片的嚙合，與此同時，控制器開始向步進電機2發(fā)送和步進電機1同樣的pwm轉(zhuǎn)動控制信號，以實現(xiàn)兩個步進電機的同步轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的同步輸出。

7、本技術(shù)方案進一步的優(yōu)化，所述摩擦片的材質(zhì)是紙基摩擦材料、樹脂基摩擦材料、碳纖維摩擦材料或半金屬摩擦材料。

8、本技術(shù)方案進一步的優(yōu)化，所述進動機構(gòu)與步進電機2固定連接，所述進動機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動行星減速機，進而帶動齒輪齒條副進行驅(qū)動。

9、本技術(shù)方案進一步的優(yōu)化，還包括假設(shè)步進電機的固有頻率為fg，則需要控制控制器輸出的pwm頻率，以避開fg，確保步進電機系統(tǒng)不會發(fā)生振動或共振，設(shè)pwm頻率為fpwm，則有

10、fpwm＝a·fg,a≥2.5?(3)。

11、本技術(shù)方案進一步的優(yōu)化，所述控制器通過無線方式與轉(zhuǎn)矩傳感器連接。

12、本技術(shù)方案進一步的優(yōu)化，所述無線為wifi、zigbee或藍牙。

13、區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，上述技術(shù)方案的有益效果如下：

14、1、通過可控的傳動摩擦片實現(xiàn)步進電機的級聯(lián)，實現(xiàn)步進電機系統(tǒng)扭矩的成倍放大；對級聯(lián)步進電機進行同一pwm控制，實現(xiàn)步進電機之間的轉(zhuǎn)動同步和轉(zhuǎn)矩輸出同步；降低各個步進電機的驅(qū)動電流，降低功耗、提升可靠性。

15、2、通過控制pwm頻率，回避步進電機固有頻率，避免系統(tǒng)振動和共振。

16、3、通過同時使用有線和無線方式傳輸轉(zhuǎn)矩傳感器信號，通過判斷兩者之間的異同或誤差，確保信號傳輸?shù)臏蚀_性。

技術(shù)特征：

1.一種大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：包括步進電機1、步進電機2、進動機構(gòu)、控制器和轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機1兩側(cè)均有旋轉(zhuǎn)軸伸出，步進電機1尾部的旋轉(zhuǎn)軸上都安裝了傳動摩擦片，所述步進電機1的一端輸出軸連接負載，其上安裝有轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機2的旋轉(zhuǎn)軸上安裝了傳動摩擦片，所述步進電機2的傳動摩擦片與步進電機1遠離負載的傳動摩擦片嚙合，所述控制器與進動機構(gòu)、步進電機1、步進電機2和轉(zhuǎn)矩傳感器連接；

2.如權(quán)利要求1所述的大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：所述摩擦片的材質(zhì)是紙基摩擦材料、樹脂基摩擦材料、碳纖維摩擦材料或半金屬摩擦材料。

3.如權(quán)利要求1所述的大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：所述進動機構(gòu)與步進電機2固定連接，所述進動機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動行星減速機，進而帶動齒輪齒條副進行驅(qū)動。

4.如權(quán)利要求1所述的大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：還包括假設(shè)步進電機的固有頻率為fg，則需要控制控制器輸出的pwm頻率，以避開fg，確保步進電機系統(tǒng)不會發(fā)生振動或共振，設(shè)pwm頻率為fpwm，則有

5.如權(quán)利要求1所述的大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：所述控制器通過無線方式與轉(zhuǎn)矩傳感器連接。

6.如權(quán)利要求5所述的大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法，其特征在于：所述無線為wifi、zigbee或藍牙。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于步進電機控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大扭矩輸出步進電機級聯(lián)控制方法。包括步進電機1、步進電機2、進動機構(gòu)、控制器和轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機1兩側(cè)均有旋轉(zhuǎn)軸伸出，步進電機1尾部的旋轉(zhuǎn)軸上都安裝了傳動摩擦片，所述步進電機1的一端輸出軸連接負載，其上安裝有轉(zhuǎn)矩傳感器，所述步進電機2的旋轉(zhuǎn)軸上安裝了傳動摩擦片，所述步進電機2的傳動摩擦片與步進電機1遠離負載的傳動摩擦片嚙合，所述控制器與進動機構(gòu)、步進電機1、步進電機2和轉(zhuǎn)矩傳感器連接。

技術(shù)研發(fā)人員：王威,韓曉新,錢劍東
受保護的技術(shù)使用者：江蘇理工學院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26