一种步进电机的控制方法、系统及相关装置与流程

1.本技术涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种步进电机的控制方法、系统及相关装置。


背景技术：

2.步进电机是自动控制系统中常用的执行部件，是机电一体化的关键产品之一，广泛地应用在各种计算控制的自动系统中。步进电机在运动过程中，通常需要在固定的时间段内完成一个完整的运动行程，该运动行程的距离不进行具体限定，在每次进行运动控制时都可能存在差异。
3.目前，步进电机的控制方案通常选取合适的最大速度对应的s形运动曲线用于加减速控制，即电机的最大速度为固定值。上述控制方案往往存在最大速度与目标速度不匹配的问题，导致在一些运动场景中电机不能够按照s形曲线进行正常加速，进而无法实现s形运动曲线平稳加速到目标速度的目的；另外，如果电机采用固定最大速度的加减速方案，会导致在行程较短的情况下，电机的加速度过大，导致电机携带的机械组件出现抖动过于严重的问题，这种电机运动方式与预期的控制效果相差甚远，因此并不适用于距离存在变化的运动行程。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供一种步进电机的控制方法、系统及相关装置，能够减少机械组件的抖动，使得电机运动更加平滑。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种步进电机的控制方法，包括根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有所述时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线；控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动。
6.其中，所述根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值的步骤之前，包括：构建并存储与不同所述常量参数值对应的在不同所述时间节点下的加速度值映射表；所述根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值的步骤包括：根据所述常量参数值从所述映射表中获得不同所述时间节点下的所述加速度值。
7.其中，所述根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值的步骤，包括：获取所述步进电机在所述负载要求下的工作参数；在若干所述s形运动曲线中，选择与所述工作参数相匹配的所述常量参数值。
8.其中，所述s形运动曲线包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段；所述根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值的步骤，包括：根据所述常量参数值至少获得位于所述加速阶段的不同所述时间节点下的所述加速度值。
9.其中，所述根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数
和所有时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线的步骤，包括：利用所述步进电机的所述预设最小速度值、所述预设最大速度值和所有所述时间节点下的所述加速度值获得所述加速阶段中每个所述时间节点对应的加速台阶速度；利用所述加速台阶速度和所述加速阶段中的每个所述时间节点对应的加速步数；利用所述加速台阶速度和所述加速步数获得所述减速阶段的减速台阶速度和减速步数；其中，所述加速台阶速度和所述减速台阶速度、所述加速步数和所述减速步数在所述s形运动曲线上对称设置；利用所述预设目标步数、所述加速步数和所述减速步数获得所述匀速阶段的匀速步数。
10.其中，所述利用所述预设目标步数、所述加速步数和所述减速步数获得所述匀速阶段的匀速步数的步骤，包括：获取所述目标步数与所述加速步数和所述减速步数之和的差值；将所述差值作为所述匀速步数。
11.其中，所述控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动的步骤，包括：根据所述预设最小速度值、所述加速台阶速度、所述预设最大速度值和所述减速台阶速度组成的变化速度在所述s形运动曲线上划分为若干个速度节点；根据所述加速步数、所述匀速步数和所述减速步数获取每个所述速度节点对应的步数；驱动所述步进电机在依次达到每个所述速度节点时运动每个所述速度节点对应的步数。
12.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种步进电机的控制系统，所述控制系统包括：获取模块，用于根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；计算模块，用于根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线；控制模块，用于控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动。
13.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种步进电机的控制装置，包括相互耦接的处理器和存储器，所述处理器和所述存储器相互配合以实现上述任一实施例中所提及的步进电机的控制方法。
14.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于实现上述任一实施例中所提及的步进电机的控制方法。
15.区别于现有技术的情况，本技术的有益效果是：本技术中提供一种步进电机的控制方法，包括根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；根据步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的加速度值构建s形运动曲线；控制步进电机根据s形运动曲线进行运动。通过上述设计方案，选择满足电机负载要求的s形运动曲线，并获取对应的加速度值，即将s形运动曲线中的加速度值视为固定值，在此基础上利用自行设定的步进电机最大速度值构建与之相匹配的s形运动曲线用于步进电机的加减速控制，避免了s形运动曲线中的最大速度和目标速度不匹配的问题，使得步进电机能够按照s形运动曲线进行正常加速，进而减少步进电机所携带的机械组件的抖动现象，使得电机运动过程平滑。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
17.图1是本技术步进电机的控制方法一实施方式的流程示意图；
18.图2是图1中步骤s101一实施方式的流程示意图；
19.图3是本技术步进电机的控制方法一实施方式的s形运动曲线；
20.图4是图1中步骤s103一实施方式的流程示意图；
21.图5是图4中步骤s304一实施方式的流程示意图；
22.图6是图1中步骤s104一实施方式的流程示意图；
23.图7是本技术步进电机的控制装置一实施方式的框架示意图；
24.图8是本技术步进电机的控制装置一实施方式的结构示意图；
25.图9是本技术具有步进电机控制功能的装置一实施方式的框架示意图。
具体实施方式
26.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，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。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的劳动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。
27.请参阅图1，图1是本技术步进电机的控制方法一实施方式的流程示意图。本技术所提供的控制方法具体可以包括如下步骤：
28.s101：根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值。
29.具体地，步进电机的负载要求包括电机在一具体应用场景中的负载重量、类别等。由于负载要求的不同，步进电机可能需要匹配s形运动曲线中不同的与加速度相关的常量参数值，以缩短步进电机响应时间、提高步进电机的运行速度和稳定程度。由于步进电机所带负载的类型复杂，针对不同的负载要求选择相应的表征加速度大小的常量参数值，能够使得步进电机拥有更广的应用范围。
30.下面以s形运动曲线对应的一具体的s形曲线数学模型为例，详细介绍s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值。具体而言，s形曲线数学模型的公式如下：
31.f
current
＝f
min
+(f
max-f
min
)/(1+e-flexible*(i-num)/num
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
32.其中，flexible和num是指s形运动曲线中与加速度相关的常量参数值，二者均能够表征步进电机工作时的加速度情况，调整flexible和num的大小能够对s形曲线进行拉伸；i是指不同的时间节点对应的运行时间，例如每两个相邻的时间节点之间均间隔0.5s，则i依次为0s、0.5s、1s、1.5s以及2s等；(1+e-flexible*(i-num)/num
)表示不同时间节点下的加速度值。
33.可选地，在一实施方式中，上述步骤s101之前还包括：构建并存储与不同常量参数值对应的在不同时间节点下的加速度值映射表。换言之，在不同的常量参数值与其对应的
加速度值之间建立映射关系，并将该映射关系存储起来。通过上述实施方式，后续获取加速度值时能够根据映射表直接读取，有效提高步进电机的工作效率。
34.请参阅图2，图2是图1中步骤s101一实施方式的流程示意图。在本实施方式中，上述步骤s101可以包括：
35.s201：获取步进电机在负载要求下的工作参数。
36.具体地，工作参数具体可以包括步进电机在一负载要求下的响应时间、噪声大小、运动稳定性、加速稳定性、是否产生低频震动或者是否丢步等等。
37.s202：在若干s形运动曲线中，选择与工作参数相匹配的常量参数值。
38.具体地，在使用步进电机进行传送时，需要针对负载的类型匹配不同的常量参数值。例如，负载重量较大且摩擦系数较小时，应选择加速或减速较为平稳的常量参数值，而不宜使用加速或减速过快的常量参数值，会造成步进电机力矩和负载力矩不平衡出现丢步的问题；而负载重量较小且摩擦系数较大时可以选择加速或减速较快的常量参数值，提高步进电机的响应时间和工作效率。需要说明的是，上述例举是为了说明本实施例而不是对本实施例中工作参数与常量参数值之间的匹配进行限定。
39.通过上述实施方式，能够根据步进电机的负载特征和工作需求选择合适的常量参数值，一方面避免震动或丢步问题的出现，另一方面有效缩短步进电机的响应时间，提高工作效率。
40.s102：根据常量参数值获得不同时间节点下的加速度值。
41.在本实施例中，不同时间节点下的加速度值可以根据确定的常量参数值从映射表中直接获得，即当确定完上述公式(1)中的常量参数值flexible和num之后，根据flexible和num直接从存储器中直接读取与之具有映射关系的加速度值(1+e-flexible*(i-num)/num
)。需要说明的是，由于公式中关于加速度值的计算过程涉及指数运算，若将指数运算过程保留在芯片中进行，会造成芯片资源的占用，计算效率的明显下降，因此将加速度值直接简化为固定值并与对应的常量参数值建立起映射关系，能够有效减少芯片资源的浪费，大大提高运算效率。
42.请参阅图3，图3是本技术步进电机的控制方法一实施方式的s形运动曲线。步进电机从启动到停止，s形运动曲线包括加速阶段s1、匀速阶段s2和减速阶段s3。在本实施方式中，上述步骤s102可以包括：根据常量参数值至少获得位于加速阶段s1中的不同时间节点下的加速度值。由于s形运动曲线在加速阶段s1和减速阶段s3的整体速度变化趋势是对称的，即加速变化速度的加速度和减速变化的加速度在经过相同的速度变化时长后等值相反，加速运动时间0-t1以及减速运动时间t
2-t3的时长相同，因此可仅针对加速阶段s1中的不同时间节点获得加速度值。通过上述实施方式，能够简化构建s形运动曲线的过程，提高控制过程的响应效率。
43.s103：根据步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的加速度值构建s形运动曲线。
44.在一实施方式中，请一并参阅图3和图4，图4是图1中步骤s103一实施方式的流程示意图。上述步骤s103可以包括：
45.s301：利用步进电机的预设最小速度值v0、预设最大速度值v
max
和所有时间节点下的加速度值获得加速阶段s1中每个时间节点ti对应的加速台阶速度vi。
46.具体地，时间节点ti是指电机运行到底i个时间节点所对应的当前电机运行总时间ti，例如，加速阶段总时长t1为10s，且该段时间内共有20个间隔相等的时间节点，则ti依次为0s、0.5s、1s
……
9.5s、10s。在本实施方式中，同样以s形运动曲线对应的一个s形曲线数学模型为例，如上述公式(1)中所示，将步进电机的预设最小速度值v0、预设最大速度值v
max
替代公式中的最小速度f
min
和最大速度f
max
，可以计算得到每个时间节点ti对应的加速台阶速度vi，即公式(1)中的f
current
。
47.s302：利用加速台阶速度vi和加速阶段s1中的每个时间节点ti对应的加速步数。
48.具体地，对于加速阶段s1中的每个时间节点而言，加速步数为当前时间节点的运行时长与对应速度的比值。
49.s303：利用加速台阶速度vi和加速步数获得减速阶段s3的减速台阶速度和减速步数。
50.具体地，由于s形运动曲线的对称性，加速变化速度的加速度和减速变化的加速度在经过相同的速度变化时长后等值相反，且加速运动时间0-t1以及减速运动时间t
2-t3的时长相同，因此直接将加速阶段s1中多个时间节点ti对应的加速台阶速度vi的顺序颠倒，即将加速阶段s1中最后一个时间节点ti对应的加速台阶速度vi作为减速阶段s3第一个时间节点对应的减速台阶速度，将加速阶段s1中的倒数第二个时间节点对应的加速台阶速度vi作为减速阶段s3中第二个时间节点对应的减速台阶速度，如此依次操作，最终即可获得减速阶段s3多个时间节点对应的减速台阶速度；与减速台阶速度的获取方式类似，将加速阶段s1中多个时间节点ti对应的加速步数的顺序颠倒，即可获得减速阶段s3中多个时间节点ti对应的减速步数，此处不再赘述。
51.s304：利用预设目标步数、加速步数和减速步数获得匀速阶段的匀速步数。
52.具体地，请参阅图5，图5是图4中步骤s304一实施方式的流程示意图。上述步骤s304可以包括：
53.s401：获取目标步数与加速步数和减速步数之和的差值。
54.具体地，由于s形运动曲线的对称性，加速步数和减速步数的大小相等，因此，在一实施方式中，可以获取目标步数与2倍的加速步数之间的差值。
55.s402：将差值作为匀速步数。
56.通过上述实施方式，在运动时间不变而目标步数任意的应用场景中，利用预设的目标步数确定出与之相适配的s形运动曲线，在满足整体运动时间的情况下，尽可能地减少机械组件的抖动，使电机运动更为平滑。
57.s104：控制步进电机根据s形运动曲线进行运动。
58.请参阅图6，图6是图1中步骤s104一实施方式的流程示意图。上述步骤s104可以包括：
59.s501：根据预设最小速度值、加速台阶速度、预设最大速度值和减速台阶速度组成的变化速度在s形运动曲线上划分为若干个速度节点。
60.具体地，对于构建完成的s形运动曲线，按照获得的预设最小速度值、加速台阶速度、预设最大速度值和减速台阶速度将曲线分割成若干速度节点。
61.s502：根据加速步数、匀速步数和减速步数获取每个速度节点对应的步数。
62.具体地，对于构建完成的s形运动曲线，根据加速步数、匀速步数和减速步数在曲
线内分割的每个速度节点存储入对应电机应转动的节点目标步数。
63.s503：驱动步进电机在依次达到每个速度节点时运动每个速度节点对应的步数。
64.具体地，当实时速度每满足一个速度节点的速度值时，获取电机的当前运动步数和剩余步数，判断当前运动步数是否满足节点目标步数、以及剩余运动步数是否能满足剩余的行程，若都符合，则依据s形运动曲线继续确定步进电机运动，使得电极在依次到达每个速度节点时运动每个速度节点对应的节点目标步数。
65.通过上述驱动方式，能够保证步进电机运动过程的平滑性和完整性，不至于出现速度突变的情况。
66.通过本技术所提供的步进电机的控制方法，选择满足电机负载要求的s形运动曲线，并获取对应的加速度值，即将s形运动曲线中的加速度值视为固定值，在此基础上利用自行设定的步进电机最大速度值构建与之相匹配的s形运动曲线用于步进电机的加减速控制，避免了s形运动曲线中的最大速度和目标速度不匹配的问题，使得步进电机能够按照s形运动曲线进行正常加速，进而减少步进电机所携带的机械组件的抖动现象，使得电机运动过程平滑。
67.请参阅图7，图7是本技术步进电机的控制装置一实施方式的框架示意图。该装置100包括获取模块10、计算模块12和控制模块14。其中，获取模块10用于根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据常量参数值获得不同时间节点下的加速度值。计算模块12用于根据步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的加速度值构建s形运动曲线。控制模块14用于控制步进电机根据s形运动曲线进行运动。通过上述实施方式，选择满足电机负载要求的s形运动曲线，并获取对应的加速度值，即将s形运动曲线中的加速度值视为固定值，在此基础上利用自行设定的步进电机最大速度值构建与之相匹配的s形运动曲线用于步进电机的加减速控制，避免了s形运动曲线中的最大速度和目标速度不匹配的问题，使得步进电机能够按照s形运动曲线进行正常加速，进而减少步进电机所携带的机械组件的抖动现象，使得电机运动过程平滑。
68.请参阅图8，图8是本技术步进电机的控制装置一实施方式的结构示意图，该装置20包括相互耦接的存储器200和处理器202，存储器200内存储有程序指令，处理器202用于执行程序指令以实现上述任一实施例中所提及步进电机的控制方法。
69.具体而言，处理器202还可以称为cpu(central processing unit，中央处理单元)。处理器202可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器202还可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor,dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit,asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array,fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。另外，处理器202可以由多个集成电路芯片共同实现。
70.请参阅图9，图9是本技术具有步进电机控制功能的装置一实施方式的框架示意图。该装置30有能够被计算机所读取的程序数据300，该程序数据300也能够被处理器执行，程序数据300用于实现上述任一实施例中所提及的控制方法。其中，该程序数据300可以以软件产品的形式存储在上述具有存储功能的装置30中，包括若干指令用以使得一台计算机
设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本技术各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储装置包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
71.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种步进电机的控制方法，其特征在于，包括：根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有所述时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线；控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值的步骤之前，包括：构建并存储与不同所述常量参数值对应的在不同所述时间节点下的加速度值映射表；所述根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值的步骤包括：根据所述常量参数值从所述映射表中获得不同所述时间节点下的所述加速度值。3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值的步骤，包括：获取所述步进电机在所述负载要求下的工作参数；在若干所述s形运动曲线中，选择与所述工作参数相匹配的所述常量参数值。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述s形运动曲线包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段；所述根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值的步骤，包括：根据所述常量参数值至少获得位于所述加速阶段的不同所述时间节点下的所述加速度值。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线的步骤，包括：利用所述步进电机的所述预设最小速度值、所述预设最大速度值和所有所述时间节点下的所述加速度值获得所述加速阶段中每个所述时间节点对应的加速台阶速度；利用所述加速台阶速度和所述加速阶段中的每个所述时间节点对应的加速步数；利用所述加速台阶速度和所述加速步数获得所述减速阶段的减速台阶速度和减速步数；其中，所述加速台阶速度和所述减速台阶速度、所述加速步数和所述减速步数在所述s形运动曲线上对称设置；利用所述预设目标步数、所述加速步数和所述减速步数获得所述匀速阶段的匀速步数。6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述利用所述预设目标步数、所述加速步数和所述减速步数获得所述匀速阶段的匀速步数的步骤，包括：获取所述目标步数与所述加速步数和所述减速步数之和的差值；将所述差值作为所述匀速步数。7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
所述控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动的步骤，包括：根据所述预设最小速度值、所述加速台阶速度、所述预设最大速度值和所述减速台阶速度组成的变化速度在所述s形运动曲线上划分为若干个速度节点；根据所述加速步数、所述匀速步数和所述减速步数获取每个所述速度节点对应的步数；驱动所述步进电机在依次达到每个所述速度节点时运动每个所述速度节点对应的步数。8.一种步进电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：获取模块，用于根据步进电机的负载要求确定s形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；计算模块，用于根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的所述加速度值构建所述s形运动曲线；控制模块，用于控制所述步进电机根据所述s形运动曲线进行运动。9.一种步进电机的控制装置，其特征在于，包括相互耦接的处理器和存储器，所述处理器和所述存储器相互配合以实现权利要求1-7中任一项所述的步进电机的控制方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于实现权利要求1至7任一项所述的步进电机的控制方法。

技术总结
本申请公开了一种步进电机的控制方法、系统及相关装置，其中，控制方法包括根据步进电机的负载要求确定S形运动曲线中的与加速度相关的常量参数值，并根据所述常量参数值获得不同时间节点下的加速度值；根据所述步进电机的预设最小速度值、预设最大速度值、预设目标步数和所有时间节点下的所述加速度值构建所述S形运动曲线；控制所述步进电机根据所述S形运动曲线进行运动。通过上述方式，能够减少机械组件的抖动，使得电机运动更加平滑。使得电机运动更加平滑。使得电机运动更加平滑。


技术研发人员：彭友恒 袁继耀
受保护的技术使用者：深圳市帝迈生物技术有限公司
技术研发日：2022.01.10
技术公布日：2023/7/21