本发明涉及一种随动控制装置，特别涉及基于步进电机和光电开关的随动控制装置。
背景技术：
基于角位置的闭环控制技术已在现代设备中广泛应用，其技术方案大都采用有刷/无刷直流力矩电机和角位置传感器实现，其中常用的角位置传感器有旋转变压器、光栅码盘、电位器、霍尔传感器四大类，采购价格都在几百至数万元不等，这大大增加了控制系统的成本支出。因此，设计一款结构简单，低成本的随动控制装置显得十分必要。
步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。其输出的转角或位移精度高,误差不会积累，是用作控制系统的理想器件。
基于角位置的闭环控制技术已在现代设备中广泛应用，其技术方案大都采用有刷/无刷直流力矩电机和角位置传感器实现，其中常用的角位置传感器有旋转变压器、光栅码盘、电位器、霍尔传感器四大类，采购价格都在几百至数万元不等，这大大增加了控制系统的成本支出。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于步进电机和光电开关的随动控制装置，用于解决上述现有技术的不足。
本发明一种基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其中，包括控制电路板、步进电机以及光电开关；控制电路板的核心处理器采用dsp和fpga共同完成；fpga包括：步进电机控制模块，通过dsp发送的电机转速值，实时转化为可控制步进电机的脉冲信号，脉冲信号上升沿有效，通过每秒产生脉冲个数控制电机运行步数；光电开关信号滤波模块，对两个光电开关输入信号进行滤波，以消除干扰；角度计数及修正模块，对步进电机转动步数进行累计，正转时累加，反转时累减，并通过光电开关信号对当前累计步数值进行修正；dsp上电后执行整个运动范围转动，寻找零位，并记录零位位置；dspb)根据fpga反馈的当前角度值与目标位置，通过pid算法生成步进电机的速度值，并发送给fpga。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，步进电机控制模块可设置步进电机工作状态为使能、运行方向和电流选择，同时通过dsp下发的速度指令控制步进电机转速。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，对于脉冲电平小于10us的信号认为是干扰信号，予以滤除。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，光电开关信号滤波模块当两个输入信号有高低电平变化时，分别进行10us的采样计数处理，若10us内出现相反电平，则计数器清零，直到计数器计满10us则认为信号稳定。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，角度计数及修正模块的角度计数由计数器实现，首先判定信号确定电机运行方向，累加或累减；通过检测信号上升沿对计数器加和减操作，角度修正通过检测信号实现，并对计数器修正。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，步进电机选用两相式步进电机。
根据本发明的基于步进电机和光电开关的随动控制装置的一实施例，其中，光电开关共2个，安装在电机侧，2个光电开关配合挡片使用，挡片与光电开关组合能够实现-4°、 4°、-22°以及 22°的位置切入切出响应。
本发明克服现有技术的不足，开发了一款基于步进电机和光电开关的随动控制装置，该装置能够实现传统的位置闭环控制系统，具有角度修正功能，误差不会累积。由控制电路、1个步进电机和2个光电开关组成，能够实现基于角位置的闭环控制，且成本低廉，在控制精度要求不高的场合具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于步进电机和光电开关的随动控制装置的示意图；
图2所示为步进电机控制模块输入输出接口关系图；
图3所示为光电开关信号滤波模块输入输出接口关系图；
图4所示为角度计数及修正模块输入输出接口关系图；
图5所示为光电开关功能示意图；
图6所示为光电开关功能原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明基于步进电机和光电开关的随动控制装置的示意图，如图1所示，本发明图1为本发明基于步进电机和光电开关的随动控制装置包括控制电路板、步进电机、光电开关。
如图1所示，控制电路板(1)的核心处理器采用dsp和fpga共同完成，fpga内软件程序由3个功能模块组成：
a)步进电机控制模块。通过dsp发送的电机转速值，实时转化为可控制步进电机的脉冲信号，脉冲信号上升沿有效，通过每秒产生脉冲个数控制电机运行步数，即转速。
步进电机控制模块可设置步进电机工作状态(使能、运行方向、电流选择)，同时通过dsp下发的速度指令控制步进电机转速，模块输入输出接口关系如图2所示。
b)光电开关信号滤波模块。对两个光电开关输入信号进行滤波，以消除干扰，对于脉冲电平小于10us的信号认为是干扰信号，予以滤除。
模块输入输出接口关系如图3所示，当collector1_in、collector2_in两个输入信号有高低电平变化时，分别进行10us的采样计数处理，若10us内出现相反电平，则计数器清零，直到计数器计满10us则认为信号稳定，可以输出。
c)角度计数及修正模块。对步进电机转动步数进行累计，正转时累加，反转时累减，并通过光电开关信号对当前累计步数值进行修正。
模块输入输出接口关系如图4所示，角度计数由计数器实现，首先判定dir信号确定电机运行方向，dir高时累加，dir低时累减，计数器countstepnum为16位寄存器；通过检测step信号上升沿对计数器加、减操作。角度修正通过检测col1、col2两个信号实现，当col1为高电平且col2有上升沿时，将计数器countstepnum修正为-4°对应值；当col2为高电平且col1有上升沿时，将计数器countstepnum修正为 4°对应值；当col2为低电平且col1有下降沿时，将计数器countstepnum修正为-20°对应值；当col1为低电平且col2有下降沿时，将计数器countstepnum修正为 20°对应值；
dsp完成主要工作如下：
a)上电后执行整个运动范围转动，寻找零位，并记录零位位置；
b)根据fpga反馈的当前角度值与目标位置，通过pid算法生成步进电机的速度值，并发送给fpga。
本发明之所以选用fpga驱动步进电机和接收光电开关信号，而没有直接由dsp执行，是因为dsp的控制频率在几khz，速度慢，这样一来会导致光电开关信号接收有较大延时，从而引入误差，而fpga运行周期为几十ns，可以最大限度的减小延时误差。
(2)步进电机。步进电机选用常用的两相式步进电机。
(3)光电开关。光电开关共2个，安装在电机侧，光电开关选用霍尼韦尔公司的hoa1872，具有成本低、响应速度快、可靠性高的特点。2个光电开关需配合挡片使用，挡片长度覆盖范围26°，具体如图5所示，挡片与光电开关组合能够实现-4°、 4°、-22°、 22°的位置切入切出响应，原理如图6所示，其中“00”“10”“11”“01”“00”表示两个光电开关的开关状态，被挡片遮挡为“1”，未被遮挡为“0”；其中±4°两个位置用于角度修正，即步进电机每经过±4°光电开关位置时，fpga就将累计角度值修正到±4°；±22°两个位置用于限位保护。以上描述实现的是-22°～ 22°的位置范围，也可通过修改光电开关挡片长度实现任意角度范围。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)该随动控制系统不需要位置传感器作为反馈器件，大大降低了成本；
(2)由于省去了位置传感器，结构上更加简单紧凑；
(3)运动范围内每经过-4°、 4°位置时都进行角度修正，从而保证了长时间运行位置准确。
光电开关作为一种光电器件，具有体积小，定位精度高，成本低的优点，常用作限位或寻零。本发明是一款结构简单，低成本的随动控制装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
1.一种基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，包括控制电路板、步进电机以及光电开关；
控制电路板的核心处理器采用dsp和fpga共同完成；
fpga包括：步进电机控制模块，通过dsp发送的电机转速值，实时转化为可控制步进电机的脉冲信号，脉冲信号上升沿有效，通过每秒产生脉冲个数控制电机运行步数；光电开关信号滤波模块，对两个光电开关输入信号进行滤波，以消除干扰；角度计数及修正模块，对步进电机转动步数进行累计，正转时累加，反转时累减，并通过光电开关信号对当前累计步数值进行修正；
dsp上电后执行整个运动范围转动，寻找零位，并记录零位位置；dspb)根据fpga反馈的当前角度值与目标位置，通过pid算法生成步进电机的速度值，并发送给fpga。
2.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，步进电机控制模块可设置步进电机工作状态为使能、运行方向和电流选择，同时通过dsp下发的速度指令控制步进电机转速。
3.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，对于脉冲电平小于10us的信号认为是干扰信号，予以滤除。
4.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，光电开关信号滤波模块当两个输入信号有高低电平变化时，分别进行10us的采样计数处理，若10us内出现相反电平，则计数器清零，直到计数器计满10us则认为信号稳定。
5.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，角度计数及修正模块的角度计数由计数器实现，首先判定信号确定电机运行方向，累加或累减；通过检测信号上升沿对计数器加和减操作，角度修正通过检测信号实现，并对计数器修正。
6.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，步进电机选用两相式步进电机。
7.如权利要求1所述的基于步进电机和光电开关的随动控制装置，其特征在于，光电开关共2个，安装在电机侧，2个光电开关配合挡片使用，挡片与光电开关组合能够实现-4°、 4°、-22°以及 22°的位置切入切出响应。
技术总结