CN101373947B - 一种步进电机速度的控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于显示仪表领域，提供了一种步进电机速度的控制方法、装置及系统，所述方法包括以下步骤：根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离；判断所述目标距离是否大于配置的基准距离；当所述目标距离大于等于所述基准距离时，控制步进电机做变加速运动；当所述目标距离小于所述基准距离时，控制步进电机做变减速运动。本发明通过判断步进电机的目标距离与基准距离之间的关系，控制步进电机做变加速运动或者变减速运动，可以使仪表指针的显示更加平滑，有效地改善了指针的平滑效果和灵敏度之间协调不好而产生的指针卡滞或突变等现象。

Description

一种步进电机速度的控制方法、装置及系统

技术领域

本发明属于显示仪表领域，尤其涉及一种步进电机速度的控制方法、装置及系统。

背景技术

在显示仪表中，一般有传统的模拟显示和数字式显示两种方式。数字式显示仪表采用步进电机结构，所有传感器的模拟或数字信号全部转化成驱动步进电机的数字信号，由中央处理器(Central Processing Unit，CPU)处理完后，将驱动信号输送到各自的步进电机，这种采用全数字技术驱动的显示仪表精度高，且采用了统一的机芯结构，实现成本低。

控制步进电机的转动需要方向、转角和转速三个要素，对于含有硬件的驱动电源，方向取决于控制器发出的步进脉冲的高低；转角取决于控制器发出的步进脉冲的个数；转速则取决于控制器发出的步进脉冲之间的时间间隔。

在步进电机的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。步进电机工作时，失步或过冲直接影响其定位精度。在设计系统时，除了正确选择步进电机和驱动电源之外，还要对控制器发出的步进脉冲的频率进行调节。由于步进电机的转速正比于步进脉冲的频率，所以调节步进脉冲的频率，实质上就是调节步进电机的速度。

在显示仪表中，一直存在着指针运动的平滑效果与灵敏度的相互抵触问题，灵敏度过高容易产生指针的抖动，灵敏度过于平滑又使得指针的实时性太差，反应迟钝，两者之间协调不好容易产生指针卡滞或突变等现象。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种步进电机速度的控制方法，旨在解决现有技术中步进电机指针的平滑效果和灵敏度之间协调不好，容易产生指针卡滞或突变等现象的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种步进电机速度的控制方法，所述方法包括以下步骤：

根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离；

判断所述目标距离是否大于等于配置的基准距离；

当所述目标距离大于等于所述基准距离时，控制步进电机做变加速运动，具体为：

根据所述目标距离确定步进电机的变加速运动的速度步长；

根据步进电机的当前速度和变加速运动的速度步长计算变加速运动的更新速度；

判断所述变加速运动的更新速度是否大于变加速运动的预期速度，是则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的预期速度，否则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的更新速度；

其中，变加速运动的预期速度＝步进电机的最大速度，变加速运动的速度步长＝k1×目标距离，变加速运动的更新速度＝步进电机的当前速度+变加速运动的速度步长，k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数；

当所述目标距离小于所述基准距离时，控制步进电机做变减速运动。

本发明实施例的另一目的在于提供一种步进电机速度的控制装置，所述装置包括：

目标距离计算模块，用于根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离；

距离关系判断模块，用于判断所述目标距离与配置的基准距离之间的大小关系；

速度更新控制模块，用于当所述距离关系判断模块判断所述目标距离大于等于所述基准距离时，控制步进电机做变加速运动，当所述目标距离小于所述基准距离时，控制步进电机做变减速运动，所述速度更新控制模块包括：

预期速度获取模块，用于获取步进电机的预期速度；

速度步长计算模块，用于根据目标距离计算步进电机的速度步长；

更新速度计算模块，用于根据步进电机的当前速度和速度步长计算步进电机的更新速度；以及

速度更新模块，用于比较预期速度与更新速度，根据比较结果更新步进电机的当前速度。

本发明实施例的另一目的在于提供一种显示仪表控制系统，所述系统包括：

显示仪表；

与显示仪表电连接的步进电机，用于通过变加速运动或者变减速运动带动显示仪表的指针移动；

与步进电机电连接的驱动IC芯片，以及

与驱动IC芯片电连接的MCU，用于根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离，当所述目标距离大于等于配置的基准距离时，通过所述驱动IC芯片控制步进电机做变加速运动，具体为：

根据所述目标距离确定步进电机的变加速运动的速度步长；

根据步进电机的当前速度和变加速运动的速度步长计算变加速运动的更新速度；

判断所述变加速运动的更新速度是否大于变加速运动的预期速度，是则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的预期速度，否则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的更新速度；

其中，变加速运动的预期速度＝步进电机的最大速度，变加速运动的速度步长＝k1×目标距离，变加速运动的更新速度＝步进电机的当前速度+变加速运动的速度步长，k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数；

当所述目标距离小于配置的基准距离时，通过所述驱动IC芯片控制步进电机做变减速运动。

本发明实施例通过判断步进电机的目标距离与基准距离之间的关系，控制步进电机做变加速运动或者变减速运动，可以使仪表指针的显示更加平滑，有效地改善了指针的平滑效果和灵敏度之间协调不好而产生的指针卡滞或突变等现象。

附图说明

图1是本发明实施例提供的步进电机速度控制的实现流程图；

图2是本发明实施例中控制步进电机做变加速运动的实现流程图；

图3是本发明实施例中控制步进电机做变减速运动的实现流程图；

图4是本发明实施例提供的步进电机在工作状况下速度与时间的变化关系示意图；

图5是本发明实施例提供的变加速过程中时间与速度之间的变化关系示意图；

图6是本发明实施例提供的变减速过程中时间与速度之间的变化关系示意图；

图7是本发明实施例适用的显示仪表控制系统的结构图；

图8是本发明实施例提供的步进电机速度控制装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明执行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，根据步进电机的目标距离与基准距离之间的关系，对仪表指针运动的速度进行控制，当目标距离大于基准距离时，控制步进电机做变加速运动，当目标距离小于基准距离时，控制步进电机做变减速运动。

图1示出了本发明实施例提供的步进电机速度控制的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，加载步进电机的当前速度、当前位置和目标位置。

在本发明的实施例中，将步进电机的当前速度、当前位置和目标位置作为步进电机速度运算控制函数的入口参数进行加载。当然，这些参数的值可能在每次重新调用步进电机速度运算控制函数时都有变化。

在步骤S102中，根据步进电机的当前位置和目标位置，计算获取步进电机的目标距离。

在具体实现时，对目标位置和当前位置执行减法运算，得到目标距离，在本发明实施例中，目标距离具有正负之分。

在步骤S103中，判断目标距离是否为零，如果目标距离为零，表示步进电机已经运动到目标位置，可以结束控制，如果目标距离不为零，表示步进电机未到达目标位置，执行步骤S104。

在步骤S104中，判断目标距离是否大于等于基准距离，是则执行步骤S105，否则执行步骤S106。

本发明实施例中，基准距离为系统配置的一个常数，具体可以根据实际调整需要确定，基准距离越小，步进电机速度调整的灵敏度越高。

在步骤S105中，控制步进电机做变加速运动，更新步进电机的当前速度。

在步骤S106中，控制步进电机做变减速运动，更新步进电机的当前速度。

图2示出了本发明实施例中控制步进电机做变加速运动的实现流程，详述如下：

在步骤S201中，以步进电机的最大速度作为预期速度。

在步骤S202中，根据目标距离确定步进电机的速度步长。

在本发明实施例中，通过下式计算步进电机的速度步长：

速度步长＝k1×目标距离，其中k1根据实际调整需要而定，k1越小，速度步长越小，步进电机的速度变化越平滑，但灵敏度相对降低。

在步骤S203中，根据步进电机的当前速度和速度步长计算步进电机的更新速度。

在本发明实施例中，步进电机的更新速度根据下式计算：

更新速度＝当前速度+速度步长。

在步骤S204中，判断步进电机的更新速度是否大于预期速度，是则执行步骤S205，否则执行步骤S206。

在步骤S205中，将步进电机的当前速度更新为预期速度。

在步骤S206中，将步进电机的当前速度更新为更新速度。

图3示出了本发明实施例中控制步进电机做变减速运动的实现流程，详述如下：

在步骤S301中，根据目标距离计算步进电机的预期速度。

在本发明实施例中，根据下式计算步进电机的预期速度：

预期速度＝速度常数+k2×目标距离，其中，k2根据实际调整需要而定，给定目标距离的情况下，k2越小，预期速度越小，步进电机的速度变化越平滑，但灵敏度相对降低。

作为本发明的一个实施例，速度常数设置为步进电机的最小速度。步进电机的最大速度和最小速度由步进电机的性能决定。

在步骤S302中，根据目标距离确定步进电机的速度步长。

在本发明实施例中，通过下式计算步进电机的速度步长：

速度步长＝k3×目标距离，其中k3根据实际调整需要而定，k3越小，速度步长越小，步进电机的速度变化越平滑，但灵敏度相对降低。本发明实施例中，k1和k3的取值可以相同，也可以不同。

在步骤S303中，根据步进电机的当前速度和速度步长计算步进电机的更新速度。

在本发明实施例中，步进电机的更新速度根据下式计算：

更新速度＝当前速度-速度步长。

在步骤S304中，判断步进电机的更新速度是否小于预期速度，是则执行步骤S305，否则执行步骤S306。

在步骤S305中，将步进电机的当前速度更新为预期速度。

在步骤S306中，将步进电机的当前速度更新为更新速度。

图4出了本发明实施例提供的步进电机在工作状况下速度与时间的变化关系。

其中，速度具有正负方向，正负方向能够表示出步进电机的运动方向，以及结合一些加减速和运动变向的过程。

时间T0～T1过程是步进电机在启动时，以最小速度V1向最大速度Vh变加速运动。此时，步进电机的目标距离远大于基准距离，而且在速度到达最大速度Vh时，目标距离仍大于基准距离。

时间T1～T2过程是步进电机的速度到达最大速度Vh的一个速度状况，以最大速度Vh做匀速运动，此时，目标距离大于等于基准距离。

时间T2～T3过程是步进电机的一个减速过程，以最大速度Vh向最小速度V1变减速运动，最终速度降到最小速度V1时，目标距离等于零，表明步进电机运动到目标位置。

其中，时间T0～T3过程中，步进电机的目标位置都没有发生变化。

时间T3～T4过程是步进电机再次启动的过程，以最小速度V1向最大速度Vh变加速运动，此时目标距离远大于基准距离，而且在速度到达最大速度Vh时，目标距离仍大于基准距离。

时间T4～T5过程是步进电机的目标位置发生变化并开始变减速的过程，由于步进电机的目标位置发生变化，目标距离突然小于基准距离，步进电机的速度变化由变加速运动转换为变减速运动。

时间T5～T6过程是步进电机做变减速运动还未到达目标位置时，步进电机的目标位置又发生变化，此时的速度减速到Vb，步进电机的目标位置的变化使得目标距离突然大于基准距离，步进电机开始变加速运动。

时间T6～T7过程是步进电机做变加速运动还未到达目标位置时，步进电机的目标位置又发生变化，此时的速度加速到Va，步进电机的目标位置的变化使得目标距离突然小于基准距离，步进电机开始变减速运动。

时间T7～T8过程是步进电机做变减速运动还未到达目标位置时，步进电机的目标位置又发生变化，此时的速度减速到Vc，这次步进电机的目标位置的变化，引起了目标距离的大小和方向都发生了变化，起始速度也变为-Vc，步进电机开始做反向变加速运动。

时间T8～T9过程是步进电机反向加速到反向速度上限制-Vh，步进电机的目标距离等于基准距离，准备开始做反向变减速运动。

时间T9～T10过程是步进电机反向变减速运动还未到达目标位置时，步进电机的目标位置又发生变化，此时的速度减速到-Vd，这次步进电机的目标位置的变化，引起了步进电机的目标距离方向发生了变化，起始速度也变为Vd，步进电机开始变加速运动。

其中，步进电机的每个加速过程都是单独的线型加速过程，可以将整个加速过程看成一个指数函数，单独的线型加速过程越多整个过程越接近指数函数。函数是时间与速度之间的变化关系，对这些关系进行等时间量化，如图5所示。

步进电机的每个减速过程都是单独的线型加速过程，可以将整个减速过程看成一个指数函数，单独的线型减速过程越多整个过程越接近指数函数。函数是时间与速度之间的变化关系，对这些关系进行等时间量化，如图6所示。

图7示出了本发明实施例适用的显示仪表控制系统的结构，微控制器(Micro Controller Unit，MCU)与驱动集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片电连接，向驱动IC芯片发送控制指令。驱动IC芯片与步进电机电连接，根据MCU的控制指令控制步进电机做变加速或者变减速运动。步进电机与显示仪表电连接，带动显示仪表的指针移动，指示数据大小。每次显示的步进电机的目标位置都是通过MCU通过控制器局域网(Controller Area Network，CAN)通信得到的，在这种情况下一旦出现丢包，就将使显示的步进电机的目标位置跨越度很大，每次计算出的步进电机的目标距离也会变化很大。本发明实施例中，MCU根据计算出的步进电机的目标距离与配置的基准距离和之间的关系，通过驱动IC芯片对步进电机进行控制，当步进电机的目标距离大于基准距离时，通过驱动IC芯片控制步进电机做变加速运动，当步进电机的目标距离小于基准距离时，通过驱动IC芯片控制步进电机做变减速运动，使显示仪表的指针达到了平滑显示的目的。

图8示出了本发明实施例提供的步进电机速度控制装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该装置为内置于MCU中运行的软件单元。

目标距离计算模块81根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离，距离关系判断模块82判断该目标距离与配置的基准距离之间的大小关系。当距离关系判断模块82判断目标距离大于等于该基准距离时，速度更新控制模块83控制步进电机做变加速运动，当距离关系判断模块82判断目标距离小于基准距离时，速度更新控制模块83控制步进电机做变减速运动。

速度更新控制模块83对步进电机进行变加速或者变减速运动控制时，预期速度获取模块831获取步进电机的预期速度，速度步长计算模块832根据目标距离计算步进电机的速度步长，更新速度计算模块833根据步进电机的当前速度和速度步长计算步进电机的更新速度，速度更新模块834比较预期速度与更新速度，根据比较结果更新步进电机的当前速度。

当控制步进电机做变加速运动时，如果更新速度大于预期速度，则速度更新模块834将步进电机的当前速度更新为预期速度，如果更新速度不大于预期速度，则速度更新模块834将步进电机的当前速度更新为更新速度，其中：

预期速度＝步进电机的最大速度；

速度步长＝k1×目标距离；

更新速度＝步进电机的当前速度+速度步长；

k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数。

当控制步进电机做变减速运动时，如果更新速度小于预期速度，则速度更新模块834将步进电机的当前速度更新为预期速度，如果更新速度不小于预期速度，则速度更新模块834将步进电机的当前速度更新为更新速度，其中：

预期速度＝速度常数+k2×目标距离；

速度步长＝k3×目标距离；

更新速度＝步进电机的当前速度-速度步长；

k2、k3为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数。

在本发明实施例中，该速度常数设置为步进电机的最小速度。

本发明实施例通过判断步进电机的目标距离与基准距离之间的关系，控制步进电机做变加速运动或者变减速运动，可以使仪表指针的显示更加平滑，有效地改善了指针的平滑效果和灵敏度之间协调不好而产生的指针卡滞或突变等现象。

以上该仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种步进电机速度的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离；

判断所述目标距离是否大于等于配置的基准距离；

当所述目标距离大于等于所述基准距离时，控制步进电机做变加速运动，具体为：

根据所述目标距离确定步进电机的变加速运动的速度步长；

根据步进电机的当前速度和变加速运动的速度步长计算变加速运动的更新速度；

判断所述变加速运动的更新速度是否大于变加速运动的预期速度，是则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的预期速度，否则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的更新速度；

其中，变加速运动的预期速度＝步进电机的最大速度，变加速运动的速度步长＝k1×目标距离，变加速运动的更新速度＝步进电机的当前速度+变加速运动的速度步长，k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数；

当所述目标距离小于所述基准距离时，控制步进电机做变减速运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当控制步进电机做变减速运动的步骤具体为：

根据所述目标距离确定步进电机的预期速度；

根据所述目标距离确定步进电机的速度步长；

根据步进电机的当前速度和速度步长计算更新速度；

判断所述更新速度是否小于预期速度，是则将步进电机的当前速度更新为预期速度，否则将步进电机的当前速度更新为更新速度；

其中，预期速度＝速度常数+k2×目标距离，速度步长＝k3×目标距离，更新速度＝步进电机的当前速度-速度步长，k2、k3为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述速度常数为步进电机的最小速度。

4.一种步进电机速度的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

目标距离计算模块，用于根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离；

距离关系判断模块，用于判断所述目标距离与配置的基准距离之间的大小关系；

速度更新控制模块，用于当所述距离关系判断模块判断所述目标距离大于等于所述基准距离时，控制步进电机做变加速运动，当所述目标距离小于所述基准距离时，控制步进电机做变减速运动，所述速度更新控制模块包括：

预期速度获取模块，用于获取步进电机的预期速度；

速度步长计算模块，用于根据目标距离计算步进电机的速度步长；

更新速度计算模块，用于根据步进电机的当前速度和速度步长计算步进电机的更新速度；以及

速度更新模块，用于比较预期速度与更新速度，根据比较结果更新步进电机的当前速度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，当控制步进电机做变加速运动时，如果更新速度大于预期速度，则所述速度更新模块将步进电机的当前速度更新为预期速度，如果更新速度不大于预期速度，则所述速度更新模块将步进电机的当前速度更新为更新速度，其中：

预期速度＝步进电机的最大速度；

速度步长＝k1×目标距离；

更新速度＝步进电机的当前速度+速度步长；

k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，当控制步进电机做变减速运动时，如果更新速度小于预期速度，则所述速度更新模块将步进电机的当前速度更新为预期速度，如果更新速度不小于预期速度，则所述速度更新模块将步进电机的当前速度更新为更新速度，其中：

预期速度＝速度常数+k2×目标距离；

速度步长＝k3×目标距离；

更新速度＝步进电机的当前速度-速度步长；

k2、k3为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述速度常数为步进电机的最小速度。

8.一种显示仪表控制系统，其特征在于，所述系统包括：

显示仪表；

与显示仪表电连接的步进电机，用于通过变加速运动或者变减速运动带动显示仪表的指针移动；

与步进电机电连接的驱动IC芯片，以及

与驱动IC芯片电连接的MCU，用于根据步进电机的当前位置和目标位置计算步进电机的目标距离，当所述目标距离大于等于配置的基准距离时，通过所述驱动IC芯片控制步进电机做变加速运动，具体为：

根据所述目标距离确定步进电机的变加速运动的速度步长；

根据步进电机的当前速度和变加速运动的速度步长计算变加速运动的更新速度；

判断所述变加速运动的更新速度是否大于变加速运动的预期速度，是则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的预期速度，否则将步进电机的当前速度更新为变加速运动的更新速度；

其中，变加速运动的预期速度＝步进电机的最大速度，变加速运动的速度步长＝k1×目标距离，变加速运动的更新速度＝步进电机的当前速度+变加速运动的速度步长，k1为与步进电机速度变化灵敏度相关的参数；

当所述目标距离小于配置的基准距离时，通过所述驱动IC芯片控制步进电机做变减速运动。

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