CN103326646B - 一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法，包括以下步骤：（1）依照步进电机的矩频特性，建立速度表；根据步进电机的加减速存在惯性，结合频率表以及步进电机的运动特性得到阶梯步长表；（2）根据步进电机速度的特性以及机械结构的特性确定两轴方向上的最大突变速度Δv_x、Δv_y；（3）在满足两轴方向上的速度变化不超过Δv_x、Δv_y的条件，再结合步骤（1）的速度表，计算得到各个坐标的速度(v_1x,v_1y),...,(v_n-1x,v_n-1y)。（4）根据步骤（1）中的阶梯步长表，采用倒推法，重新确定每一个坐标点的速度根据阶梯步长表实现速度控制。本发明在高速运动且加减速频繁的情况下有效减少抖动、提升稳定性。

Description

一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法

技术领域

本发明属于运动控制技术领域。

背景技术

目前，国内机械臂行业发展迅速，控制器的种类繁多。然而，以步进电机为控制对象的机械臂，其控制精度不高的问题依然存在，特别是在高速情况下。当机械臂在高速运动且加减速频繁的情况下，其抖动现象就极为明显。而一些采用伺服电机的控制系统虽然系统性能有所提高，但是价格昂贵，制造成本增加，降低了产品的竞争力，这是很多生产厂家不愿意看到的结果。以步进电机为控制对象的机械臂系统，只要控制性能有所提高，其生产费将大大降低，可以增强自身产品的市场竞争力。

发明内容

为了解决克服现有机械臂在高速运动且加减速频繁的情况下存在抖动问题、稳定性较差的不足，本发明提供了一种在高速运动且加减速频繁的情况下有效减少抖动、提升稳定性的基于机械臂控制器的步进电机速度控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）依照步进电机的矩频特性，步进电机的升降频规律应是“先快后慢”，按照此规律再结合最佳升频要求，建立速度表；

根据步进电机的加减速存在惯性，每一次的频率变化都需要电机连续运行一定的步数，使得步进电机适应当前的频率，结合频率表以及步进电机的运动特性得到阶梯步长表；

（2）读取n个坐标点(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)，已知当前点坐标为(x₀,y₀)，对应的两轴方向上的分速度为(v_0x,v_0y)，当前速度方向与x轴的夹角为θ₀，终点(x_n,y_n)速度为(v_nx,v_ny)，通过相邻两点的坐标关系计算得到n条线段与x轴的夹角为θ₁,...,θ_n，根据步进电机速度的特性以及机械结构的特性确定两轴方向上的最大突变速度Δv_x、Δv_y；

（3）在满足两轴方向上的速度变化不超过Δv_x、Δv_y的条件，再结合步骤（1）的速度表，当电机运动到点(x₁,y₁)但尚未发生速度突变时的速度为(v'_0x,v'_0y)，突变后的速度为(v_1x,v_1y)，以此类推，计算得到各个坐标的速度(v_1x,v_1y),...,(v_n-1x,v_n-1y)；

（4）根据步骤（1）中的阶梯步长表，采用倒推法，重新确定每一个坐标点的速度已知终点速度(v_nx,v_ny)，比较(v_nx,v_ny)与合速度的大小关系，若前者小于后者，根据阶梯步长表进行电机的加速，得到点(x_n-1,y_n-1)的速度为；比较与合速度的大小关系，若前者大于后者，则将作为点(x_n-1,y_n-1)的真实速度，否则就选择，以此类推，得到所有点的速度(V_0x,V_0y),...,(V_nx,V_ny)，根据阶梯步长表实现速度控制。

进一步，所述步骤（3）中，若当前线段小于L_min，改变当前加速度的值，同时将下一目标点的合速度作为当前线段加减速的最大速度，当运动到某一位置时的合速度已经达到下一目标点的合速度，此后，将开始进行匀速运动，不再进行加减速，直到到达目标点。

本发明的优点在于：（1）采用了速度表和阶梯步长表，使得加减速在速度处理所需时间更少；（2）结合位置信息与初始速度、终止速度，采用倒推法得到中间各位置点的速度；（3）对小线段进行的特殊处理可以使得系统在运行速度变化频繁的情况下更加稳定的运行；（4）使用步进电机使得系统成本降低；（5）控制方法基于DSP实现，使得控制器的体积大大缩小。

附图说明

图1为步进电机的指数速度曲线图。

本发明的实施方式结合附图作进一步描述。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法，包括以下步骤：

(1)图1为步进电机的指数速度曲线。设步进电机的步距角为θ，脉冲周期为t_s，对应的频率为f_s，v为转速，由此可得电机的转速为：

$v=\frac{60}{\frac{360}{\mathrm{\θ}}{t}_s}(r/\min )---\left(1\right)$

$v=\frac{1}{6}\mathrm{\θ}{f}_s(r/\min )---\left(2\right)$

由于电机选定以后，其步距角也就确定，即θ为常数，所以由式（2）可知，步进电机的转速变化过程也就是电机升降频的过程。步进电机的转频特性如下：

$P=\frac{2\mathrm{\πvT}}{60}\left(w\right)---\left(3\right)$

$P=\frac{2\mathrm{\π\θ}{f}_{s}T}{360}\left(w\right)---\left(4\right)$

$T=\frac{360P}{2\mathrm{\π\θ}{f}_S}(N\·m)---\left(5\right)$

其中，P为电机功率，单位为瓦，T为转矩，单位为牛顿·米。在式（5）由于θ是常数，当P一定时可知，步进电机的升降频规律应是“先快后慢”，因此选择使用指数速度曲线来实现对步进电机的加减速控制可以使电机较平稳的运行。按照此规律再结合最佳升频要求，建立速度表(f₀,...,f_m)，将其存入存储单元中。步进电机的加减速存在惯性问题，为避免速度变化过大而产生步进电机失步现象，每一次的频率变化，都需要电机连续运行一定的步数，使得步进电机适应当前的频率。因此，结合频率表以及步进电机的运动特性得到阶梯步长表(ι₀,...,ι_m)，存入对应的存储单元。

（2）从SRAM中读取n个坐标点(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)，已知当前点坐标为(x₀,y₀)，对应的两轴方向上的速度为(v_0x,v_0y)，当前速度方向与x轴的夹角为θ₀，终点(x_n,y_n)速度为(v_nx,v_ny)。通过相邻两点的坐标关系计算第i条线段与x轴的夹角θ_i为：

$\tan {\mathrm{\θ}}_i=\frac{y_i-y_{i-1}}{x_i-x_{i-1}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{arc}\tan \frac{y_i-y_{i-1}}{x_i-x_{i-1}}---\left(7\right)$

由式（7）计算得到n条线段与x轴的夹角θ₁,...,θ_n。根据步进电机速度的特性以及机械结构的特性确定两轴方向上的最大突变速度Δv_x、Δv_y。

（3）所述步骤（2）中，已知当前点(x₀,y₀)的速度相关参数，且已知当前线段的夹角与下一线段的夹角分别为θ₀、θ₁。满足两轴方向上的速度变化不超过Δv_x、Δv_y。如，为确定第i点的速度v_i，其对应的x、y轴上的分速度分别为v_icosθ_i、v_isinθ_i，计为(v_ix,v_iy)：

$V_{\mathrm{ix}}-V_{i-1x}^{\&prime;}<\mathrm{\&Delta;}{v}_x---\left(8\right)$

$V_{\mathrm{iy}}-V_{i-1y}^{\&prime;}<\mathrm{\&Delta;}{v}_y---\left(9\right)$

其中，v_iy、v'_i-1y为第i点速度在两轴上突变前的分速度。在尽可能提高运行速度的前提下，再结合步骤（1）的速度表，所以当电机运动到点(x_i,y_i)时，速度为(v_ix,v_iy)。以此类推，计算得到各个坐标的速度(v_1x,v_1y),...,(v_n-1x,v_n-1y)。

（4）所述步骤（3）中，得到的每个坐标点对应的速度(v_1x,v_1y),...,(v_n-1x,v_n-1y)，且所述步骤（2）中，已知终点(x_n,y_n)速度为(v_nx,v_ny)。结合步骤（1）中的阶梯步长表，采用倒推法，重新确定每一个坐标点的速度如，已知终点速度(v_nx,v_ny)，比较(v_nx,v_ny)与合速度的大小关系，若前者小于后者，根据阶梯步长表进行电机的加速，得到点(x_n-1,y_n-1)的速度为比较与合速度的大小关系，若前者大于后者，则将作为点(x_n-1,y_n-1)的真实速度，否则就选择以此类推，得到所有点的速度(v_0x,v_0y),...,(v_nx,v_ny)。至此，就可以根据阶梯步长表实现速度控制。

（5）所述步骤（3）中，当遇到小线段曲线时，需要采用特殊的加减速控制方法。本发明通过改变加减速过程中的最大速度的变化，来实现对小线段的特殊处理，这样可以使步进电机减小抖动现象，实现对步进电机速度的平稳控制。所述步骤中，若当前线段L小于L_min，当前加速度变为α'_i：

${\mathrm{\&alpha;}}_i^{\&prime;}=k{\mathrm{\&alpha;}}_i+(1-k){\mathrm{\&alpha;}}_i\frac{L}{L_{\min }},(0<k<1)---\left(10\right)$

其中α_i为按正常加速度规律得到的加速度，k为常系数。同时，将下一目标点的合速度作为当前线段加减速的最大速度，当运动到某一位置时速度已经达到下一目标点的合速度，此后，将开始进行匀速运动，不再进行加减速，直到到达目标点。

Claims (2)

1.一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)依照步进电机的矩频特性，步进电机的升降频规律应是“先快后慢”，按照此规律再结合最佳升频要求，建立速度表；

根据步进电机的加减速存在惯性，每一次的频率变化都需要电机连续运行一定的步数，使得步进电机适应当前的频率，结合频率表以及步进电机的运动特性得到阶梯步长表；

(2)读取n个坐标点(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)，已知当前点坐标为(x₀,y₀)，对应的两轴方向上的分速度为(v_0x,v_0y)，当前速度方向与x轴的夹角为θ₀，终点(x_n,y_n)速度为(v_nx,v_ny)，通过相邻两点的坐标关系计算得到n条线段与x轴的夹角为θ₁,...,θ_n，根据步进电机速度的特性以及机械结构的特性确定两轴方向上的最大突变速度Δv_x、Δv_y；

(3)在满足两轴方向上的速度变化不超过Δv_x、Δv_y的条件，再结合步骤(1)的速度表，当电机运动到点(x₁,y₁)但尚未发生速度突变时的速度为(v'_0x,v'_0y)，突变后的速度为(v_1x,v_1y)，以此类推，计算得到各个坐标的速度(v_1x,v_1y),...,(v_n-1x,v_n-1y)；

(4)根据步骤(1)中的阶梯步长表，采用倒推法，重新确定每一个坐标点的速度已知终点速度(v_nx,v_ny)，比较(v_nx,v_ny)与合速度的大小关系，若前者小于后者，根据阶梯步长表进行电机的加速，得到点(x_n-1,y_n-1)的速度为比较与合速度的大小关系，若前者大于后者，则将作为点(x_n-1,y_n-1)的真实速度，否则就选择以此类推，得到所有点的速度(V_0x,V_0y),...,(V_nx,V_ny)，根据阶梯步长表实现速度控制。

2.如权利要求1所述的一种基于步进电机的运动控制器速度控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，若当前线段小于最小段L_min，改变当前加速度的值，同时将下一目标点的合速度作为当前线段加减速的最大速度，当运动到某一位置时的合速度已经达到下一目标点的合速度，此后，将开始进行匀速运动，不再进行加减速，直到到达目标点。