CN104753415B - 步进电机的启停控制方法、系统和步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机的启停控制方法，用于对带负载的步进电机进行控制，选择与负载匹配的数学模型并设置数学模型的系数，接收用于控制步进电机运行的控制参数，根据数学模型和控制参数计算步进电机的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号，根据驱动控制信号控制步进电机。通过针对不同的负载匹配相应的数学模型，满足了步进电机复杂的负载要求，提高了步进电机的工作效率，使步进电机的应用范围更广。同时，本发明还公开了一种步进电机的启停控制系统和一种步进电机。

Description

步进电机的启停控制方法、系统和步进电机

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种步进电机的启停控制方法、一种步进电机的启停控制系统和一种步进电机。

背景技术

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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求和应用量与日俱增。步进电机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内，通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停和正反转控制等，并且由其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，因此在众多领域有着极其广泛的应用。

为了解决缩短步进电机的响应时间、提高步进电机的运行速度以及稳定程度等问题，很多研究人员针对速度控制提出了建立在线性速度模型和指数速度模型等数学模型上的控制方式，但都存在一定的问题，不能很好地满足步进电机运动的复杂的负载要求。

发明内容

基于此，有必要针对现有步进电机控制技术不能满足步进电机运动的复杂的负载要求的问题，提供一种满足步进电机运动的复杂的负载要求的步进电机的启停控制方法。

同时，本发明还提供一种步进电机的启停控制系统。

一种步进电机的启停控制方法，用于对带负载的步进电机进行控制，包括如下步骤：

选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数；

接收用于控制所述步进电机运行的控制参数；

根据所述数学模型和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数；

根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号；

根据所述驱动控制信号控制所述步进电机。

在其中一个实施例中，所述选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数的步骤具体包括如下步骤：

运行所述步进电机；

监控所述步进电机运行时的工作参数；

判断所述工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果否，则替换当前数学模型并设置所述替换后的数学模型的系数，继续进行判断，如果是则将当前状态下的数学模型与所述负载进行匹配。

在其中一个实施例中，在所述根据驱动控制信号控制所述步进电机的步骤之后，还包括：

监控所述步进电机运行时的工作参数；

若所述工作参数不在第二预设参数阈值内，则重新设置所述数学模型的系数。

在其中一个实施例中，所述控制参数包括总步数、最高速度、最低速度、运动方向、力矩保持信号和预设电流。

在其中一个实施例中，所述预设电流为所述步进电机的每个工作状态下的预设电流的集合。

在其中一个实施例中，所述根据数学模型和控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数的步骤，具体包括如下步骤：

根据所述数学模型生成相应的速度曲线，所述速度曲线为所述步进电机加速阶段和减速阶段速度变化的曲线；

将所述速度曲线离散化成不同的速度台阶；

根据所述速度台阶和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数。

在其中一个实施例中，所述根据速度台阶和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数的步骤，具体包括如下步骤：

分别读取所述速度曲线中加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式；

根据所述总步数和每个所述速度台阶的细分方式计算所述步进电机匀速阶段的步数；

计算所述步进电机速度变化的每个阶段的运动步数。

在其中一个实施例中，所述驱动控制信号包括脉冲调制信号和/或串行外设接口的相序指令。

在其中一个实施例中，在所述根据驱动控制信号控制所述步进电机的步骤之前，还包括如下步骤：

监控所述步进电机的工作状态；

根据相应工作状态下的预设电流控制所述步进电机。

一种步进电机的启停控制系统，用于对带负载的步进电机进行控制，包括：

调试模块，用于选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数；

控制模块，接收用于控制所述步进电机运行的控制参数，根据所述数学模型和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数，根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号；

驱动模块，用于根据所述驱动控制信号驱动所述步进电机。

在其中一个实施例中，所述调试模块包括：

匹配单元，用于为所述步进电机匹配数学模型并设置所述数学模型的系数；

工作参数监控单元，用于监控所述步进电机运行时的工作参数；

所述匹配单元还用于判断所述工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果否，则替换当前数学模型继续进行匹配，如果是则将当前状态下的数学模型与所述负载进行匹配。

在其中一个实施例中，所述调试模块还包括调试单元，在所述驱动模块根据驱动控制信号控制所述步进电机之后，若所述工作参数不在第二预设参数阈值内，所述调试单元则重新设置所述数学模型的系数；所述驱动模块根据所述控制模块生成的新的驱动控制信号控制所述步进电机。

在其中一个实施例中，所述控制模块包括：

控制单元，用于接收控制所述步进电机运行的控制参数，将所述数学模型和控制参数转换成相应的数字信号；

数字处理单元，用于根据所述数字信号计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数，根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

在其中一个实施例中，所述数字处理单元包括：

运动轨迹参数计算单元，用于根据所述数字信号计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数；

驱动控制单元，用于根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

在其中一个实施例中，所述驱动控制信号为脉冲调制信号或串行外设接口的相序指令，分别对应输入接口为脉冲调制或输入接口为相序指令的驱动模块。

在其中一个实施例中，所述控制模块还包括：

状态监控单元，用于监控所述步进电机的工作状态；

电流控制单元，用于根据所述步进电机的工作状态输出相应的预设电流控制信号。

在其中一个实施例中，所述步进电机的启停控制系统还包括：

电流器模块，连接所述控制模块和驱动模块，用于接收所述预设电流控制信号，产生相应的预设电流并输出给所述驱动模块；所述驱动模块根据所述预设电流控制所述步进电机。

一种步进电机，包括上述步进电机的启停控制系统。

上述步进电机的启停控制方法和系统，用于对带负载的步进电机进行控制，选择与负载匹配的数学模型并设置系数，接收用于控制步进电机运行的控制参数，根据数学模型和控制参数计算步进电机的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号，根据驱动控制信号控制步进电机。通过针对不同的负载匹配相应的数学模型，满足了步进电机复杂的负载要求，提高了步进电机的工作效率，使步进电机的应用范围更广。

附图说明

图1为本发明一实施例的步进电机的启停控制方法流程图；

图2为本发明另一实施例的步进电机的启停控制方法流程图；

图3为线性速度曲线的示意图；

图4为线性速度曲线离散化示意图。

图5为图2所示实施例步骤S260的流程图；

图6为步进电机工作状态示意图；

图7为本发明一实施例的步进电机的启停控制系统示意图；

图8为本发明另一实施例的步进电机的启停控制系统示意图。

具体实施方式

一种步进电机的启停控制方法和系统，针对不同的负载匹配相应的数学模型，并可调试数学模型的系数，满足了步进电机复杂的负载要求，相应的，使步进电机的工作效率更高、应用范围更广泛。在步进电机的工作过程中，根据步进电机的工作状态调整步进电机的电流，灵活控制步进电机的运动，减小了步进电机的噪声和低频振动；并且根据步进电机的状态调整电流的大小，因步进电机的状态与负载力矩对应，即根据负载力矩调整电流的大小，能够防止电机力矩和负载力矩不平衡时出现丢步的问题。

下面结合附图和实施例对本发明一种步进电机的启停控制方法和系统进行进一步详细的说明。

图1所示，为一实施例的步进电机的启停控制方法流程图。

参考图1，在一个实施例中，一种步进电机的启停控制方法，用于对带负载的步进电机进行控制，包括如下步骤：

步骤S110：选择与负载匹配的数学模型并设置系数。

根据负载匹配相应的数学模型的步骤为针对步进电机负载的特性选择匹配的数学模型。其中负载的特性，包括负载的重量、类别等。负载的特性不同，步进电机可能需要使用不同数学模型，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。步进电机所带负载的类型复杂，针对负载的特征匹配相应的数学模型也满足了步进电机运动的复杂的负载要求，使步进电机的应用范围更广。在选择匹配的数学模型同时，为上述数学模型设置系数。

在本实施例中，可通过检测并监控步进电机的工作参数完成数学模型的匹配，其中步进电机的工作参数包括步进电机工作时的噪声大小、运动稳定性、响应时间、是否产生低频振动或是否丢步等。在步进电机运行时，检测并监控步进电机的工作参数，当检测的工作参数满足要求时，为步进电机匹配并选择当前的数学模型。具体的，上述工作参数的要求可以为检测的工作参数在参数阈值范围内，或者没有低频振动产生，没有丢步产生等。在其他的实施例中，上述工作参数的要求并不限于上述要求，可以根据对步进电机功能的要求具体进行设定。

具体的，可以通过工作参数监控机监控并检测步进电机的各个工作参数，上述工作参数的类型和相应的参数阈值可根据要求进行自由设定。在另一实施例中，也可以人工选择步进电机的数学模型。

在其他实施例中，可以对完成匹配的负载及相应的数学模型进行存储，还可针对同一类型的负载设定同一类型的数学模型，在使用步进电机驱动上述匹配过的负载，或者驱动同一类型的负载时，直接为步进电机选择相应类型的数学模型。

步骤S130：接收用于控制步进电机运行的控制参数。

上述控制参数包括运行的总步数、最高速度、最低速度、方向、力矩保持信号和预设电流。上述总步数表示设定步进电机需要运行的总步数，最低速度表示步进电机加速时的起始速度，最高速度表示步进电机加速时的最高速度，即匀速运动阶段的速度，减速阶段的起始速度为上述最高速度，终止速度为上述最低速度。方向表示设定步进电机运行的方向，包括步进电机正转和反转。力矩保持信号为步进电机运动终止后是否保持终止状态的指令信号，预设电流为步进电机的每个工作状态下的预设电流的集合。在其他实施例中，上述控制参数还可根据需要设置其他指令。

步骤S150：根据数学模型和控制参数计算步进电机的运动轨迹的特性参数。

根据数学模型生成相应的速度曲线，结合速度曲线与控制参数计算步进电机的运动轨迹的特性参数。其中步进电机的运动轨迹的特性参数包括步进电机加速阶段、减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式，步进电机匀速阶段的步数和步进电机速度变化的每个阶段的运动时间。

步骤S170：根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

根据步进电机的驱动芯片的类型，将运动轨迹转换为相应类型的驱动控制信号。

步骤S190：根据驱动控制信号控制步进电机。

本实施例中，通过针对不同的负载匹配相应的数学模型，满足了步进电机复杂的负载要求，提高了步进电机的工作效率，使步进电机的应用范围更广泛。

图2所示，为另一实施例的步进电机的启停控制方法流程图。

参考图2，在另一实施例中，一种步进电机的启停控制方法包括如下步骤：

步骤S201：运行步进电机。

运行步进电机的步骤包括通过步进电机的启停控制系统为步进电机选择数学模型，或者通过人工选择数学模型并启动步进电机。上述数学模型可以是随机选择也可以是人工设定。

步骤S202：监控步进电机运行时的工作参数。

通过工作参数监控机监控步进电机运行时的工作参数，其中步进电机运行时的工作参数包括步进电机工作时的噪声大小、运动稳定性、响应时间、是否产生低频振动或是否丢步等。

步骤S203：判断工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果否，则替换当前数学模型并设置替换后的数学模型的系数，继续执行步骤S202，如果是则执行步骤S204。

上述第一预设参数阈值为步进电机带负载运行时的基本要求，即根据负载为步进电机匹配数学模型的要求，比如步进电机不会产生丢步，响应时间不会太长，没有明显的噪声等基础要求。在不同的实施例中，上述第一预设参数阈值可以根据不同的要求进行设定。

步骤S204：将当前状态下的数学模型与负载进行匹配并设置数学模型的系数。

数学模型不同，步进电机在加速阶段和减速阶段的速度和时间各有不同。因此，在使用步进电机进行传送时，需要针对负载的类型设定不同的数学模型。比如，负载重量较大且摩擦系数较小时，应使用加速或者减速较为平稳的数学模型，而不宜使用加速或者减速太快的数学模型，会造成步进电机力矩和负载力矩不平衡出现丢步的问题。而在负载重量较大且摩擦系数较大时可以使用加速或者减速较快的数学模型，可以提高步进电机的响应时间，提高步进电机的工作效率。可以理解，上述例举是为了说明本实施例而不是对本实施例中负载与数学模型之间的匹配进行限定。

根据负载特征和步进电机的工作需求，比如对步进电机响应时间、运行速度和稳定程度的需求匹配相应的数学模型，在选择与负载匹配的数学模型的同时，为上述数学模型设定系数。

具体的上述数学模型包括二次项、指数、线性数学模型等。在不同的实施例中，步进电机加速阶段和减速阶段的数学模型也可以分别设置，那么相应的上述数学模型为复合数学模型，可根据步进电机在加速阶段和减速阶段的不同需要，分别设置相应的数学模型。

步骤S205：根据数学模型生成相应的速度曲线。

步进电机从启动到停止，包括加速、匀速和减速三个阶段，其中，速度曲线为包括步进电机加速和减速阶段的速度变化的曲线。

具体的，上述速度曲线包括：二次项速度曲线：y＝ax²+bx+c，其中，a，b，c为输入的参数；线性速度曲线：y＝ax+b，其中，a，b为输入的参数；指数速度曲线：y＝ae^bx+b其中，a，b为输入的参数。匹配的数学模型不同，需要分别设置匹配的数学模型的系数。

图3所示，为线性速度曲线的示意图，包括步进电机加速和减速阶段速度变化的曲线。参考图3，根据线性曲线的数学模型生成相应的线性速度曲线。

步骤S206：将速度曲线离散化成不同的速度台阶。

图4所示，为线性速度曲线离散化示意图。参考图4，将线性速度曲线离散成n阶的速度台阶。其中，n为自然数。将速度曲线离散化成n阶的速度台阶，表示将原速度曲线分成n部分进行处理，其中每一个速度台阶又会继续进行细分，上述细分表示将每一速度台阶以某一具体的完成方式去完成，每一个台阶的完成方式即细分方式可以相同也可以不同，可以根据需要对每个速度台阶的细分方式分别进行设定。比如针对步进电机的加速时的起步阶段的速度台阶，可以设定较多的步数去完成上述速度台阶，这样步进电机加速时会更加平稳。

具体的，上述细分方式可为，其中某一个台阶以m步完成，其中m为自然数。

步骤S207：接收用于控制步进电机运行的控制参数。其中，控制参数为运行的总步数、最高速度、最低速度、方向、力矩保持信号和预设电流。其中，上述总步数表示设定步进电机需要运行的总步数，最低速度表示步进电机加速时的起始速度，最高速度表示步进电机加速时的最高速度，即匀速运动阶段的速度。因为步进电机使用同一数学模型进行加速和减速，那么对应的最高速度表示减速阶段的起始速度，最低速度表示减速阶段的终止速度。方向表示设定步进电机运行的方向，包括步进电机正转和反转。力矩保持信号为步进电机运动终止后是否保持终止状态的指令信号，预设电流为步进电机的每个工作状态下的预设电流的集合。在其他实施例中，上述控制参数还可根据需要设置其他指令参数。

步骤S208：根据速度台阶和控制参数计算步进电机的运动轨迹的特性参数。

将控制参数与速度台阶相结合为将上述速度台阶的数据具体化，包括具体化台阶数、每一台阶下的步数，最高速度、最低速度等。可以将上述控制参数与速度台阶相结合后转换成相应的数字信号以便下一步进行数字处理。

其中，运动轨迹的特性参数包括步进电机加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式，步进电机匀速阶段的步数和步进电机速度变化的每个阶段的运动时间。

图5所示，为图2所示实施例步骤S208的流程图。

参考图5，上述步骤S208具体包括如下步骤：

步骤S2082：分别读取所述速度曲线中加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式。其中，加速阶段和减速阶段的细分方式可以根据步进电机对加速和减速的需求分别进行设置。

步骤S2084：根据总步数和每个速度台阶的细分方式计算步进电机匀速阶段的步数。

步骤S2086：计算步进电机速度变化的每个阶段的运动时间。其中，每个阶段的运动时间包括步进电机加速、匀速和减速的阶段相应的运动时间。

步骤S209：根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

根据步进电机的驱动芯片的接口要求，可根据运动轨迹的特性参数生成与驱动芯片的接口相匹配的驱动控制信号。具体的，上述驱动控制信号为脉冲调制信号或串行外设接口的相序指令，分别对应输入接口为脉冲调制或输入接口为相序指令的驱动芯片，使上述步进电机的启停控制方法能够兼容更多类型的步进电机。

步骤S210：监控步进电机的工作状态并输出相应工作状态下的预设电流。在不同的工作状态下，需要对步进电机输入不同的工作电流。

图6所示，为步进电机工作状态示意图。

参考图6，在本实施例中，步进电机的工作状态包括：空闲状态、工作电流设置状态、电机工作状态、电流设置等待状态、保持电流设置状态和力矩保持状态。

其中，空闲状态表示步进电机的控制芯片不使能，上电后默认进入空闲状态。工作电流设置状态表示设置步进电机工作时的电流，并等待生效。电机工作状态表示步进电机开始运动，直到结束。电流设置等待状态表示步进电机运动结束后，等待一段时间再进行电流设置动作。电流设置等待结束后，根据力矩控制信号的状态，步进电机选择转移到保持电流设置状态或者空闲状态。保持电流设置状态表示设置电机力矩时电流，并等待生效。力矩保持状态表示电机力矩处于保持状态，直到步进电机重新启动。

具体的，可由状态机监控步进电机的工作状态。通过监控步进电机的工作状态，通过电流器产生相应工作状态下的预设电流，使步进电机的工作电流随着步进电机的工作状态而改变，由于步进电机的工作状态与负载的力矩相对应，相当于步进电机的电流随着负载力矩而产生变化，防止电机力矩和负载力矩不平衡时出现丢步的问题，使步进电机工作精度更高、运行更加稳定。由于步进电机的工作电流和非工作电流可以自由设置（即相应工作状态和非工作状态下的预设电流可以自由设置），可以有效解决步进电机功率浪费造成步进电机发烫的问题，减小了步进电机的噪声和低频振动，提高了步进电机的工作效率和能量利用率。

步骤S211：根据驱动控制信号和预设电流控制步进电机。

根据驱动控制信号、预设电流同步控制步进电机，包括控制步进电机的工作方式，包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段的运行方式等；同步控制步进电机工作时的电流和非工作状态时的电流，实现了对步进电机的灵活控制。

步骤S212：判断步进电机的工作参数是否在第二预设参数阈值内，如果否，则重新设置数学模型的系数并执行步骤S205。

监控步进电机运行时的工作参数，若步进电机运行时的工作参数不在第二预设参数阈值内，则重新设置数学模型的系数和接收新的控制参数，即继续执行步骤S205。

上述第二预设参数阈值，为在为步进电机匹配的数学模型满足步进电机所带的负载特征的要求时，对步进电机的工作参数提出的更进一步的要求，比如步进电机的响应时间更短、噪声更小、稳定性更好等。在不同的实施例中，上述对工作参数更进一步的要求并不限于上述要求，可以根据对步进电机功能的要求具体进行设定；并且上述第二预设参数阈值也可根据不同要求进行不同的设定。

在完成数学模型系数的调试之后，继续执行步骤S205。

根据负载的特征和步进电机的工作需求匹配相应的数学模型之后，继续对匹配的数学模型的系数进行调试，以进一步满足对步进电机的工作需求，使步进电机的工作稳定性更高，进一步提高步进电机的工作参数。

因此，上述步进电机的启停控制方法，针对不同的负载，通过自主匹配数学模型，满足了负载对步进电机的不同需求，扩大的步进电机的应用范围。通过自由设置步进电机工作状态和非工作状态的电流，可以有效解决步进电机发烫的问题，减小了步进电机的噪声和低频振动，提高了步进电机的工作效率和能量利用率，提高了步进电机工作的稳定性，防止电机力矩和负载力矩不平衡时出现丢步的问题。根据驱动控制信号和预设电流同步控制步进电机，提高了步进电机控制的灵活性。

图7所示，为一实施例的步进电机的启停控制系统示意图。

参考图7，在一个实施例中，一种步进电机的启停控制系统100，通过使用上述步进电机的启停控制方法对带负载的步进电机200进行控制，包括调试模块120、控制模块140和驱动模块160。其中，调试模块120选择与负载匹配的数学模型并设置数学模型的系数，控制模块140接收用于控制所述步进电机运行的控制参数，根据数学模型和控制参数计算步进电机200的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号，驱动模块160，根据驱动控制信号驱动步进电机200。

为了提高步进电机200的响应时间、提高步进电机200的运行速度和稳定程度，在步进电机200带负载运行时，根据负载的特征不同，包括负载的重量、类别等不同时，步进电机200需要使用不同的数学模型进行驱动。但是目前的步进电机驱动技术一般是只针对一种数学模型的控制方式，比如，指数速度模型、线性数学模型或二次项数学模型等。目前负载类别繁杂，因此，在负载类别不同需要步进电机200带动时，出现了驱动类型不匹配、步进电机200工作效率低、稳定性差、响应速度慢等一系列问题。比如当。因此，就需要针对不同的负载特性匹配适应的数学模型进行驱动。

本实施例中，针对负载的特性，能够给步进电机200匹配相应的数学模型，满足了步进电机200复杂的负载的需求，在面对不同类型的负载时，步进电机200能够实现较短的响应时间、高的运行速度和稳定程度，提高了步进电机200的工作效率。同时，也使步进电机200的应用范围更加广泛。

图8所示，为另一实施例的步进电机的启停控制系统示意图。

参考图8，在另一实施例中，一种步进电机的启停控制系统300，通过使用上述步进电机的启停控制方法对带负载的步进电机400进行控制，包括调试模块320、控制模块340和驱动模块360。

调试模块320用于选择与负载匹配的数学模型并设置数学模型的系数，包括匹配单元322、工作参数监控单元324和调试单元326。

匹配单元322为步进电机400匹配数学模型，之后运行步进电机400，工作参数监控单元324监控带负载的步进电机400运行时的工作参数，匹配单元322判断工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果是，则将当前状态下的数学模型与负载进行匹配，如果否，则替换当前数学模型继续进行匹配，调试单元326用于调试匹配后的数学模型的系数。

步进电机400的工作参数表示步进电机400工作时表现的特性，包括步进电机400工作时的噪声大小、运动稳定性、响应时间、是否产生低频振动或是否丢步等。在步进电机400运行时，检测并监控步进电机400的工作参数，当检测的工作参数满足第一预设参数阈值的要求时，匹配单元324为步进电机400匹配并选择当前的数学模型。具体的，上述工作参数的要求可以为在具体的参数阈值范围内，没有低频振动，没有丢步产生等。在其他的实施例中，上述工作参数的要求并不限于上述要求，可以根据对步进电机功能400的要求具体进行设定。

根据对步进电机400各个工作参数的要求，针对各个工作参数设定对应的预设参数阈值，或者相应的要求，比如，针对噪声大小、运动速度、运动稳定性、响应时间等工作参数，可以分别设定对应的预设参数阈值，针对是否产生低频振动或是否丢步等设定不产生低频振动或不产生丢步的要求。如果监控的工作参数都在相应的预设参数阈值内或者符合相应的要求，则将当前状态下的数学模型与当前的负载相匹配，如果监控的工作参数都不在或者有一个不在相应的预设参数阈值内或者不符合相应的要求，则用预设的数学模型替换当前的数学模型继续进行上述的监控和匹配的操作。

在完成数学模型的匹配之后，若工作参数不在第二预设参数阈值内，调试单元326则重新设置数学模型的系数。在另一实施例中，在驱动模块360根据驱动控制信号控制步进电机400之后，若步进电机400的工作参数不在第二预设参数阈值内，调试单元326则重新设置数学模型的系数，驱动模块360根据控制模块340生成的新的驱动控制信号控制步进电机400。

调试单元326对上述数学模型的系数进行调试，使步进电机400的工作效率更高。根据负载特征和步进电机的工作需求匹配相应的数学模型之后，继续对匹配的数学模型的系数进行调试，以进一步满足对步进电机的工作需求，使步进电机的工作稳定性更高。

具体的，上述速度曲线包括：二次项速度曲线：y＝ax²+bx+c，其中，a，b，c为输入的参数；线性速度曲线：y＝ax+b，其中，a，b为输入的参数；指数速度曲线：y＝ae^bx+b其中，a，b为输入的参数。

具体的，上述调试模块320可为监控机，用于监控步进电机400的各个工作特征参数，并通过现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）或复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）进行匹配和调试，完成步进电机400的数学模型匹配的工作，使步进电机400能够满足各种负载的要求。

控制模块340接收用于控制步进电机400运行的控制参数，根据数学模型和控制参数计算步进电机400的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。控制模块340包括：控制单元342，用于接收控制步进电机400运行的控制参数，将数学模型和控制参数转换成相应的数字信号；数字处理单元344，用于根据数字信号计算步进电机400的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

其中，控制单元342包括曲线生成单元3422，用于根据数学模型生成相应的速度曲线；离散单元3424，用于将速度曲线离散化成不同的速度台阶；指令接收单元3426，用于接收控制参数；转换单元3428，用于将控制参数与速度台阶转换为相应的数字信号。

曲线生成单元3422根据匹配的数学模型的系数生成相应的精确的速度曲线，包括步进电机400加速阶段和减速阶段的速度变化曲线。参考图3，为线性速度曲线的示意图。然后，离散单元3424将上述速度曲线离散化成不同的速度台阶。参考图4，为图3所示线性速度曲线离散化后的示意图。将线性速度曲线离散成n阶的速度台阶。其中，n为大于等于2的自然数。将速度曲线离散化成n阶的速度台阶，表示将原速度曲线分成n部分进行处理，其中每一个台阶又会继续进行细分，上述细分表示将每一速度台阶以某一具体的完成方式去完成，每一个台阶的完成方式即细分方式可以相同也可以不同，可以根据需要分别进行设定。具体的，上述细分方式可为，其中某一个台阶以m步完成，其中m为自然数。

指令接收单元3426接收控制参数，控制参数为运行的总步数、最高速度、最低速度、方向、力矩保持信号和预设电流。上述总步数表示设定步进电机需要运行的总步数，最低速度表示步进电机加速时的起始速度，最高速度表示步进电机加速时的最高速度，即匀速运动阶段的速度。如果步进电机400在加速阶段和减速阶段使用同一数学模型进行加速和减速，那么相应的步进电机400减速阶段的起始速度为上述最高速度，终止速度为上述最低速度。如果步进电机400加速阶段和减速阶段使用不同的数学模型，那么加速阶段和减速阶段的起始速度和终止速度需要分别设置。方向表示设定步进电机运行的方向，包括步进电机正转和反转。力矩保持信号为步进电机运动终止后是否保持终止状态的指令信号，预设电流为针对步进电机400的预设状态分别设置的相应的预设电流的集合。在其他实施例中，上述控制参数还可根据需要设置其他指令。

转换单元3428将控制参数与速度台阶相结合，为将上述速度台阶的数据具体化，包括具体化台阶数、每一台阶下的步数，最高速度、最低速度等。将上述控制参数与速度台阶相结合后转换成相应的数字信号以便下一步进行数字处理。

具体的，上述控制单元342可为微处理器，用于处理上述速度曲线的生成，控制参数的接收、根据速度曲线与控制参数生成相应的数字信号的工作，其中微处理器可通过连接PC机，通过PC机接收步进电机400的各种电机参数（即控制参数）。

数字处理模块344用于根据数字信号计算步进电机400的运动轨迹的特性参数，根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。数字处理模块344包括运动轨迹参数计算单元3442和驱动控制单元3444。运动轨迹参数计算单元3442，用于根据数字信号计算步进电机400的运动轨迹的特性参数；驱动控制单元3444，用于根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

其中，运动轨迹的特性参数包括步进电机400加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式，步进电机400匀速阶段的步数和步进电机400速度变化的每个阶段的运动时间。

参考图8，运动轨迹参数计算单元3442包括曲线读取单元34422，用于分别读取速度曲线中加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式；步数计算单元34424，用于根据总步数和每个所述速度台阶的细分方式计算步进电机400匀速阶段的步数；和计数器控制单元34426，用于计算步进电机400速度变化的每个阶段的运动时间。

驱动控制单元3444，用于根据运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号，用于对驱动模块360进行控制。

根据步进电机的驱动模块360的接口要求，驱动控制单元3444将运动轨迹转换为与接口相匹配的相应的驱动控制信号。其中，驱动控制信号可以为脉冲调制信号或者为串行外设接口的相序指令，分别对应输入接口为脉冲调制或输入接口为相序指令的驱动模块360。

状态监控单元346用于监控步进电机400的工作状态，电流控制单元348用于根据步进电机400的工作状态输出相应的预设电流控制信号给电流器模块380。电流器模块380，连接控制模块340和驱动模块360，用于接收预设电流控制信号，产生相应的预设电流并输出给驱动模块360，驱动模块360根据上述预设电流控制步进电机400。

参考图6，上述步进电机400的工作状态包括空闲状态、工作电流设置状态、电机工作状态、电流设置等待状态、保持电流设置状态和力矩保持状态。

其中，空闲状态表示步进电机400的控制芯片不使能，上电后默认进入空闲状态。工作电流设置状态表示设置步进电机400工作时的电流，并等待生效。电机工作状态表示步进电机400开始运动，直到结束。电流设置等待状态表示步进电机400运动结束后，等待一段时间再进行电流设置动作。电流设置等待结束后，根据力矩控制信号的状态，步进电机400选择转移到保持电流设置状态或者空闲状态。保持电流设置状态表示设置电机力矩时电流，并等待生效。力矩保持状态表示电机力矩处于保持状态，直到步进电机400重新启动。

上述步进电机400的各种工作状态分别对应相应的预设电流，包含在控制参数中，可以根据需要自由设定，提高了步进电机400应用的灵活性。

具体的，上述状态监控单元346可为状态机，可由状态机监控步进电机400的工作状态。通过监控步进电机400的工作状态，控制电流器模块380产生相应工作状态下的预设电流，使步进电机400的工作电流随着步进电机400的工作状态而改变，由于步进电机400的工作状态与负载的力矩相关，相当于随着步进电机400的负载力矩而产生变化，由于步进电机400的工作电流和非工作电流可以自由设置（即相应工作状态和非工作状态下的预设电流可以自由设置），可以有效解决步进电机400功率浪费造成步进电机发烫的问题，减小了步进电机400的噪声和低频振动，提高了步进电机400的工作效率和能量利用率，防止电机力矩和负载力矩不平衡时出现丢步的问题，使步进电机400工作精度更高、运行更加稳定。具体的，上述电流器模块380可为电流控制器，用于接收电流控制信号并产生相应的电流。

具体的，上述数字处理模块344可为现场可编程门阵列（Field－ProgrammableGate Array，FPGA）或复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD），完成根据数字信号生成相应的运动轨迹，并将运动轨迹转换为驱动控制信号的工作。FPGA或CPLD芯片针对步进电机400的驱动芯片的接口要求，产生对应接口的驱动控制信号，使步进电机400的启停控制系统300能够兼容多种驱动芯片和相应的步进电机400，扩大了步进电机400的启停控制系统300的应用范围。

上述监控机、微处理器、FPGA或CPLD、驱动芯片可集成在同一块板卡上，通过连接PC机构成步进电机的启停控制系统300。通过PC机设置步进电机400的各种参数，并由监控机进行监控和匹配，也可选择由人工进行监控、匹配和调试，然后通过微处理器和FPGA（或CPLD）产生驱动信号和电流信号控制驱动芯片，通过驱动芯片驱动步进电机400。

通过根据负载自适应匹配数学模型，使步进电机400能够满足复杂的负载的要求，使步进电机400的应用更广。通过根据步进电机400的工作状态改变电流的大小，使步进电机400减少发烫和噪声，节省能源，并提高步进电机400的使用寿命。通过使用个不同的细分方式完成步进电机400的加速和减速，提高了步进电机400使用的灵活性。通过匹配步进电机400的驱动芯片的不同的接口，使步进电机的启停控制系统300能够兼容多种驱动芯片和相应的步进电机400，扩大了步进电机的启停控制系统300的应用范围。

本发明还提供了一种步进电机（图未示），包括上述步进电机的启停控制系统100或者步进电机的启停控制系统300。该步进电机集成上述步进电机的启停控制系统，通过上述步进电机的启停控制系统为不同的负载选择相应的数学模型，并针对特定的负载或者同一类型的负载存储相应的数学模型。在上述步进电机执行带动特定的负载工作时，直接使用已经存储的数学模型进行启动。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种步进电机的启停控制方法，用于对带负载的步进电机进行控制，其特征在于，包括如下步骤：

选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数；

接收用于控制所述步进电机运行的控制参数；

根据所述数学模型和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数；其中，所述运动轨迹的特性参数包括步进电机加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式，步进电机匀速阶段的步数和步进电机速度变化的每个阶段的运动时间；

根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号；

根据所述驱动控制信号控制所述步进电机。

2.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数的步骤具体包括如下步骤：

运行所述步进电机；

监控所述步进电机运行时的工作参数；

判断所述工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果否，则替换当前数学模型并设置所述替换后的数学模型的系数，继续进行判断，如果是则将当前状态下的数学模型与所述负载进行匹配。

3.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，在所述根据驱动控制信号控制所述步进电机的步骤之后，还包括：

监控所述步进电机运行时的工作参数；

若所述工作参数不在第二预设参数阈值内，则重新设置所述数学模型的系数。

4.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述控制参数包括总步数、最高速度、最低速度、运动方向、力矩保持信号和预设电流。

5.根据权利要求4所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述预设电流为所述步进电机的每个工作状态下的预设电流的集合。

6.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述根据数学模型和控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数的步骤，具体包括如下步骤：

根据所述数学模型生成相应的速度曲线，所述速度曲线为所述步进电机加速阶段和减速阶段速度变化的曲线；

将所述速度曲线离散化成不同的速度台阶；

根据所述速度台阶和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数。

7.根据权利要求6所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述根据速度台阶和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数的步骤，具体包括如下步骤：

分别读取所述速度曲线中加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式；

根据总步数和每个所述速度台阶的细分方式计算所述步进电机匀速阶段的步数；其中，所述控制参数包括所述总步数；

计算所述步进电机速度变化的每个阶段的运动时间。

8.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，所述驱动控制信号包括脉冲调制信号和/或串行外设接口的相序指令。

9.根据权利要求1所述的步进电机的启停控制方法，其特征在于，在所述根据驱动控制信号控制所述步进电机的步骤之前，还包括如下步骤：

监控所述步进电机的工作状态；

根据相应工作状态下的预设电流控制所述步进电机。

10.一种步进电机的启停控制系统，用于对带负载的步进电机进行控制，其特征在于，包括：

调试模块，用于选择与所述负载匹配的数学模型并设置所述数学模型的系数；

控制模块，接收用于控制所述步进电机运行的控制参数，根据所述数学模型和所述控制参数计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数，根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号；其中，所述运动轨迹的特性参数包括步进电机加速阶段和减速阶段的起始速度、终止速度和细分方式，步进电机匀速阶段的步数和步进电机速度变化的每个阶段的运动时间；

驱动模块，用于根据所述驱动控制信号驱动所述步进电机。

11.根据权利要求10所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述调试模块包括：

匹配单元，用于为所述步进电机匹配数学模型并设置所述数学模型的系数；

工作参数监控单元，用于监控所述步进电机运行时的工作参数；

所述匹配单元还用于判断所述工作参数是否在第一预设参数阈值内，如果否，则替换当前数学模型继续进行匹配，如果是则将当前状态下的数学模型与所述负载进行匹配。

12.根据权利要求11所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述调试模块还包括调试单元，在所述驱动模块根据驱动控制信号控制所述步进电机之后，若所述工作参数不在第二预设参数阈值内，所述调试单元则重新设置所述数学模型的系数；所述驱动模块根据所述控制模块生成的新的驱动控制信号控制所述步进电机。

13.根据权利要求10所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

控制单元，用于接收控制所述步进电机运行的控制参数，将所述数学模型和控制参数转换成相应的数字信号；

数字处理单元，用于根据所述数字信号计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数，根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

14.根据权利要求13所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述数字处理单元包括：

运动轨迹参数计算单元，用于根据所述数字信号计算所述步进电机的运动轨迹的特性参数；

驱动控制单元，用于根据所述运动轨迹的特性参数生成驱动控制信号。

15.根据权利要求10所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述驱动控制信号为脉冲调制信号或串行外设接口的相序指令，分别对应输入接口为脉冲调制或输入接口为相序指令的驱动模块。

16.根据权利要求10所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括：

状态监控单元，用于监控所述步进电机的工作状态；

电流控制单元，用于根据所述步进电机的工作状态输出相应的预设电流控制信号。

17.根据权利要求16所述的步进电机的启停控制系统，其特征在于，所述步进电机的启停控制系统还包括：

电流器模块，连接所述控制模块和驱动模块，用于接收所述预设电流控制信号，产生相应的预设电流并输出给所述驱动模块；所述驱动模块根据所述预设电流控制所述步进电机。

18.一种步进电机，其特征在于，包括权利要求10-17任一所述的步进电机的启停控制系统。