CN102647136A - 一种步进电机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进电机控制系统，包括：采样单元，用于周期性地获取所述步进电机的电流的采样值；计算单元，用于计算当前周期的误差值及误差变化值；查询单元，用于根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数；输出单元，用于根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。本发明还相应提供了一种步进电机控制方法。本发明提供的步进电机控制系统及方法根据当前周期的误差值和误差变化值，相应调整当前周期的比例参数及积分参数，从而实现比例参数及积分参数的实时调整，可保持设计时的理想性能，解决了低速振动和高速出力小等问题，从而满足全速度工作的需求。

Description

一种步进电机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及步进电机，尤其涉及一种步进电机控制方法及系统。

背景技术

步进电机包括两相步进电机、三相步进电机及五相步进电机，通常采用数字信号控制从而完成准确的位置控制，已广泛应用于机械手臂、舞台灯光、数控机床、激光切割机、LED灌封设备等行业。传统的步进电机数字信号控制方式中，步进电机各相电流信号是经过模数转换后的数字信号，控制步机电机的信号是数字信号，对输入输出信号的计算和处理是利用数字PID（比例、积分、微分）控制算法实现的。现有的数字PID调节算法如下公式（1）及公式（2）所述：

  E(k) = D(k) - F(k)                        ( 1)

U( k) = Kp*[E(k) -E(k-1)] +Ki*E(k)+Kd[E(k)- 2E(k-1)+ E( k-2)]   ( 2)

其中，D( k )为第k次采样周期中步进电机的电流的目标值；F( k )为第k次采样周期中步进电机的电流的采样值；E(k)为第k 次采样周期步进电机电流的目标值与采样值间的偏差值；Kp、Ki、Kd分别为数字PID控制算法中比例、积分、微分参数；U(k)为第k次采样周期数字PID控制算法输出的控制值。

然而，现有技术中，Kp、Ki、Kd等3个数字PID控制算法参数通常为预先设定且不能实时调整，而设计者的经验很难通过Kp、Ki、Kd等3个数字PID控制算法参数进行全面、精确地描述，步进电机控制过程很难通过传统的数字PID控制算法实现精确控制。而且，由于步进电机特性、负载等非线性因素的影响，控制过程中各种信号量以及评价指标无法通过Kp、Ki、Kd等3个数字PID控制算法参数定量控制，导致步进电机在实际应用中难以保持设计时的理想性能，出现低速振动和高速出力小等问题，无法满足全速度工作的需求。

发明内容

有鉴于此，提供一种步进电机控制系统及方法，无需变更硬件配置，即可克服步进电机特性、负载等非线性因素的影响，解决传统数字PID控制算法导致的低速振动和高速出力小等问题，满足全速度工作的需求。 

一种步进电机控制系统，包括：采样单元，用于周期性地获取所述步进电机的电流的采样值；计算单元，用于计算当前周期的误差值及误差变化值；查询单元，用于根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数；输出单元，用于根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。

以及，一种步进电机控制方法，包括以下步骤：周期性地获取所述步进电机的电流的采样值；计算当前周期的误差值及误差变化值；根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数；根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。

本发明提供的步进电机控制系统及方法根据当前周期的误差值和误差变化值，相应调整当前周期的比例参数及积分参数，从而实现比例参数及积分参数的实时调整，可保持设计时的理想性能，解决了低速振动和高速出力小等问题，从而满足全速度工作的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的步进电机控制系统100的一种实施方式的示意图；

图2为本发明实施例提供的步进电机控制方法200的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的步进电机控制系统100的一种实施方式的示意图。如图1所示，本发明实施例提供的步进电机控制系统100包括采样单元110、计算单元120、查询单元130及输出单元140。

其中，采样单元110用于周期性地获取步进电机的电流的采样值。在本实施方式中，步进电机的各相电流经模拟信号采样后，再经模数转换为数字信号的采样值。采样单元110周期性的采样步机电机的电流值，并相应输出数字信号的采样值。如：采样单元110在第k周期采样步机电机的电流值，并相应输出采样值F(k)。在本发明各实施方式的说明中，使用k表示当前采样周期，F(k)表示第k周期采样单元110输出的采样值。

计算单元120，用于计算当前周期的误差值及误差变化值。在本实施方式中，计算单元120根据采样单元110当前周期输出的采样值F(k)与步机电机当前周期的目标值D(k)进行比较得到当前周期的误差值，并将当前周期的误差值与上一周期的误差值进行比较得到误差变化值。如：采样单元110在第k周期输出的采样值为F(k)及步进电机在第k周期的目标值为D(k)，则计算单元120计算得到第k周期的误差值为E(k)=F(k)-D(k)。相应地，计算单元120计算得到第k-1周期的误差值为E(k-1)，则计算得到第k周期的误差变化值为Ec= E(k)- E(k-1)。在本发明各实施方式的说明中，使用D(k)表示步进电机第k采样周期的目标值，E(k)表示第k周期的误差值，Ec(k)表示第k周期的误差变化值。

查询单元130，用于根据所述误差值E(k)及误差变化值Ec(k)查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数Kp(k)及积分参数Ki(k)。在本实施方式中，参数规则表根据步进电机的属性预先设置。在本实施各实施方式的说明中，使用Kp(k)表示第k采样周期的比例参数，Ki(k)表示第k周期的积分参数。

在本发明另一实施方式中，步机电机控制系统100还包括参数单元150，用于存储所述根据步进电机的属性预先设置的参数规则表。在本发明一种实施方式中，所述参数规则表包括比例参数与误差值、误差变化值的关系及积分参数与误差值、误差变化值的关系。在本发明另一种实施方式中，所述参数规则表包括比例参数表及积分参数表。其中，如表1所示，比例参数表用于存储比例参数与误差值、误差变化值的关系。如表2所示，积分参数表用于存储积分参数与误差值、误差变化值的关系。

如表1及表2所示，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB为误差值、误差变化值、比例参数、积分参数所对应的边界值。其中，NB 定义为负大，NM 为负中，NS 为负小，ZO 为零，PS 为正小，PM 为正中，PB 为正大。

表1

表2

本发明领域人员应当知悉，表1及表2所示的参数规则表仅为更好地理解本发明实施方式的示例，本发明的参数规则表不局限于表1及表2的内容及形式。在本系统及步机电机中误差值、误差变化值、比例参数、积分参数所对应的NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB的边界值及设置可根据系统及步进电机的电流环延时、控制量纲等因素相应调整影响。

输出单元140，用于根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。在本实施方式中，计算单元130根据当前周期的误差值及误差变化值查询参数规则表并相应调整当前周期的比例参数及积分参数，输出单元140根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出步进电机的控制值。

作为本发明的另一种实施方式中，步进电机控制系统100还包括论域单元160，用于存储所述误差值、误差变化值及控制值的论域。其中，所述误差值、误差变化值及控制值的论域根据所述步进电机的属性预先设置。如：误差值、误差变化值及控制值的论域分别为Ai、Bi及Ci。在本实施方式中，查询单元130还用于根据所述误差值及误差变化值分别查询相应论域。输出单元140还用于根据所述误差值及误差变化值的相应论域输出所述步进电机的控制值。具体算法如公式(3)所示：

If（E(k) == Ai && Ec(k) == Bi）

U(k) = Ci                      公式(3)

本发明提供的步进电机控制系统100根据当前周期的误差值和误差变化值，相应调整当前周期的比例参数及积分参数，从而实现比例参数及积分参数的实时调整，可保持设计时的理想性能，解决了低速振动和高速出力小等问题，从而满足全速度工作的需求。

图2为本发明实施例提供的步进电机控制方法200的一种实施方式的流程图。如图2所示，本发明实施例提供的步进电机控制方法200包括以下步骤：

S210：周期性地获取所述步进电机的电流的采样值。

在本实施方式中，步进电机的各相电流经模拟信号采样后，再经模数转换为数字信号的采样值。如：在第k周期采样步机电机的电流值，并相应输出采样值F(k)。

S220：计算当前周期的误差值及误差变化值。

在本实施方式中，根据当前周期的采样值F(k)与步机电机当前周期的目标值D(k)进行比较得到当前周期的误差值，并将当前周期的误差值与上一周期的误差值进行比较得到误差变化值。如：在第k周期输出的采样值为F(k)及步进电机在第k周期的目标值为D(k)，则计算得到第k周期的误差值为E(k)=F(k)-D(k)。相应地，可计算得到第k-1周期的误差值为E(k-1)，进而计算得到第k周期的误差变化值为Ec= E(k)- E(k-1)。

S230：根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数。

在本实施方式中，参数规则表根据步进电机的属性预先设置。在本实施各实施方式的说明中，使用Kp(k)表示第k采样周期的比例参数，Ki(k)表示第k周期的积分参数。在本发明一种实施方式中，所述参数规则表包括比例参数与误差值、误差变化值的关系及积分参数与误差值、误差变化值的关系。在本发明另一种实施方式中，所述参数规则表包括比例参数表及积分参数表，分别如上文表1及表2所示。本发明领域人员应当知悉，表1及表2所示的参数规则表仅为更好地理解本发明实施方式的示例，本发明的参数规则表不局限于表1及表2的内容及形式。

S240：根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。

在本实施方式中，根据当前周期的误差值及误差变化值查询参数规则表并相应调整当前周期的比例参数及积分参数，再根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出步进电机的控制值。

作为本发明的另一种实施方式中，本发明提供的步进电机控制方法200还包括以下步骤：

S250：判断误差值及误差变化值是否属于相应论域。

在本实施方式中，所述误差值、误差变化值及控制值的论域根据所述步进电机的属性预先设置。如：误差值、误差变化值及控制值的论域分别为Ai、Bi及Ci。通过查询当前周期的误差值及误差变化值是否属于相应论域，若误差值及误差变化值属于相应论域，则输出相应论域对应的控制值。具体算法如上文的公式3所示。若误差值或误差变化值不属于相应论域，则转至步骤S230。

本发明实施例提供的步进电机控制系统100及步进电机控制方法200根据当前周期的误差值和误差变化值，相应调整当前周期的比例参数及积分参数，从而实现比例参数及积分参数的实时调整，可保持设计时的理想性能，解决了低速振动和高速出力小等问题，从而满足全速度工作的需求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种步进电机控制系统，其特征在于，包括：

采样单元，用于周期性地获取所述步进电机的电流的采样值；

计算单元，用于计算当前周期的误差值及误差变化值；

查询单元，用于根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数；

输出单元，用于根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。

2.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于：

所述查询单元，还用于根据所述误差值及误差变化值分别查询相应论域；

所述输出单元，还用于根据所述误差值及误差变化值的相应论域输出所述步进电机的控制值。

3.如权利要求2所述的步进电机控制方法，其特征在于，还包括：

论域单元，用于存储根据所述步进电机的属性预先设置的所述误差值、误差变化值及控制值的论域。

4.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，还包括：

参数单元，用于存储根据所述步进电机的属性预先设置的所述参数规则表。

5.如权利要求1至4任意一项所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述参数规则表包括：

比例参数表，用于设置所述比例参数与所述误差值及误差变化值的关系；

积分参数表，用于设置所述积分参数与所述误差值及误差变化值的关系。

6.一种步进电机控制方法，其特征在于，包括：

周期性地获取所述步进电机的电流的采样值；

计算当前周期的误差值及误差变化值；

根据所述误差值及误差变化值查询参数规则表，并调整当前周期的比例参数及积分参数；

根据调整后的比例参数及积分参数计算并输出所述步进电机的控制值。

7.如权利要求6所述的步进电机控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述误差值及误差变化值的相应论域输出所述步进电机的控制值。

8.如权利要求7所述的步进电机控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述步进电机的属性预先设置所述误差值、误差变化值及控制值的论域。

9.如权利要求6所述的步进电机控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述步进电机的属性预先设置所述控制规则表。

10.如权利要求6至9任意一项所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述参数规则表包括：

比例参数表，用于设置所述比例参数与所述误差值及误差变化值的关系；

积分参数表，用于设置所述积分参数与所述误差值及误差变化值的关系。

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