CN102591245A

CN102591245A - 一种步进电机驱动稳定平台的方法

Info

Publication number: CN102591245A
Application number: CN2012100828978A
Authority: CN
Inventors: 焦志涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种步进电机驱动稳定平台的方法，能够在载体晃动时为工作负载提供多个轴向的姿态稳定。每个轴的稳定机构由平台机架、传动机构、步进电机、电机转子位置传感器、惯性传感器、嵌入式控制驱动器和输出轴支架组成。本发明的优点是：加装转子位置传感器构成闭环控制，在伺服驱动技术的控制下，使常规步进电机摆脱丢步、震动、发热等缺陷，能够满足稳定平台的要求，从而使步进电机能够用于稳定云台的应用，使用本发明的稳定平台产品具有高性能、低成本、低能耗的优势，拓展了市场应用领域，可广泛应用于运动载体的视频监控、特种摄影、无线通信等领域。

Description

一种步进电机驱动稳定平台的方法

技术领域：

本发明涉及一种稳定平台，能够安装在飞行器、船舶、车辆、绳索等晃动的载体上，为工作负载提供一个相对惯性参照系稳定的姿态，从而实现高性能的侦察、监控、拍摄、通信等应用。

背景技术：

稳定平台是一种应用于军事侦察、安防监控、影视拍摄等领域的高科技设备，为了获得较高的性能，稳定平台要求所采用的电动机具有响应快、精度高、力矩大的特点。

现有的稳定平台技术和产品中所使用的电动机包括有刷\无刷力矩电机、交流\直流伺服电机、航模舵机等，其中力矩电机价格昂贵、体积较大，伺服电机额定转速高，需要额外的大倍数减速器，而航模舵机则精度性能较低。

步进电机是一种在工业、生活领域应用广泛的电动机，具有控制简单、成本低廉、力矩较大的优势，但常规的步进电机在开环驱动时存在丢步现象，并且精度低、响应慢、震动大、能耗高；普遍认为步进电机不适用于高精度、高速度的运动控制领域，尤其是稳定平台的应用，查询现有专利、技术论文和国内外产品，没有将步进电机应用于稳定平台的先例。

本发明公开的一种步进电机驱动稳定平台的方法，给常规步进电机增加转子位置传感器，并通过一定的算法可以实现步进电机的闭环伺服驱动，能够解决步进电机易丢步、精度低、响应慢、震动大、能耗高的缺点，是一种比较理想的低成本、高性能运动控制解决方案，这也是目前的前沿研究课题，但尚未得到广泛的应用和认同。

发明内容：

本发明的目的是为稳定平台产品提供一个高性能、低成本的技术方案，公开了该技术方案的具体实施方法，实现了将闭环步进电机的伺服驱动与稳定平台的结合，极大的提高了稳定平台产品的性价比和生命力。

本发明的技术方案是：一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，每个轴的稳定平台由平台机架、传动机构、步进电机、电机转子位置传感器、惯性传感器、嵌入式控制驱动器和输出轴支架组成。电机转子位置传感器与步进电机的输出轴联接，通过嵌入式控制驱动器实现步进电机的闭环伺服驱动，克服步进电机常规开环驱动模式下的易丢步、精度低、响应慢、震动大、能耗高等缺点，并通过惯性传感器采集运动信息，在控制算法的协调下控制步进电机作出相应的运动，使得稳定平台输出轴相对惯性空间稳定。

附图说明：

图1为一种步进电机驱动稳定平台的方法的组成结构示意图。

图2为本发明的单轴稳定平台实施例组成结构图。

图3为本发明的单轴稳定平台实施例的嵌入式控制驱动器结构和软件功能模块示意图。

具体实施方式：

下面结合实施案例对本发明做进一步说明。

根据本发明的技术方案，使用铝合金加工L形稳定平台支架，传动机构选用MXL型同步带轮10倍减速组，步进电机选用双出轴的42型二相步进电机，转子位置感器选用2000线的光电式增量编码器并安装于步进电机的后轴，惯性传感器选用微机械原理的角速度传感器CRS-0302，嵌入式控制驱动器则使用STM32系列的单片机作为主控芯片，通过HIP4081芯片驱动两路MOS-H桥，外部提供24V/3A的直流稳压电源，输出轴支架上放置一台监控用摄像机，通过视频输出观察稳定性能。

首先使用常规的步进电机开环细分驱动器测试稳定平台的驱动性能，选用标准的128细分步进电机驱动器，通过目测和传感器测量发现，步进电机出现了严重的丢步、振动和发热现象，而且精度很差，无法满足稳定平台的基本要求，证明常规方法使用步进电机驱动稳定平台是不可行的，正因如此步进电机也从未被应用到稳定平台的领域。

然后使用自主开发的闭环伺服驱动技术，提高了步进电机运行的定位精度和响应快速性，消除了丢步、振动和发热等现象，在稳定平台基座摇摆的过程中，输出轴能够保持稳定，稳定度达到了0.1度，满足了大部分市场的应用需要，实验表明本发明所公开的步进电机驱动的稳定平台的技术方案具有可行性，使得步进电机驱动的稳定平台成为可能。

嵌入式控制驱动器是本发明所述的稳定云台的中央控制部件，负责采集角速度传感器CRS-0302和光电编码器的信息，并通过一定的算法计算和输出放大，驱动步进电机的精确运行。

嵌入式控制驱动器中的STM32单片机运行的主要软件功能如图3所示，包括惯性传感器数据采集、码盘信号采集、码盘位置与齿槽对应、PID控制算法、空间矢量转换、PWM波形输出等。

本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，该稳定平台包括：平台机架(1)、传动机构(2)、步进电机(3)、电机转子位置传感器(4)、惯性传感器(5)、嵌入式控制驱动器(6)和输出轴支架(7)组成。

2.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，嵌入式控制驱动器通过电机转子位置传感器获取电机转子位置，并通过控制算法完成步进电机的闭环伺服驱动；通过惯性传感器获取并解算出平台基座的运动数据，控制步进电机作出相应的运动，补偿外部的晃动。

3.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，将若干套所述的稳定平台组合使用，可以构建多个轴向的稳定平台，能够稳定的轴向包括航向轴、滚转轴、俯仰轴。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，传动机构包括但不限于齿轮传动、同步轮传动、涡轮蜗杆传动、丝杆传动等，也可以由电机输出轴直接驱动负载。

5.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，电机转子位置传感器与步进电机转子的后轴固联，或通过连轴器联接；电机转子位置传感器包括但不限于增量值或绝对值输出的光电编码器、磁电编码器、旋转变压器，以及其他能够检测步进电机转子位置的器件和方法。

6.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，惯性传感器安装于稳定平台的基座一侧或/和稳定负载一侧，传感器类型包括但不限于模拟信号或数字信号输出的角速度传感器、加速度传感器等，往往需要同时使用组合的多轴惯性传感器。

7.根据权利要求1所述的一种步进电机驱动稳定平台的方法，其特征在于，该稳定平台的平台机架包括但不限于铝合金结构、碳纤维板材结构、支杆结构等。