CN107769643A - 一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质。本申请实施例方法包括：计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行；使得电机在小细分低速运行时能达到最大细分运行时一样的平稳度和静音效果，电流波形为完全的正弦波，即使在极低的速度段也不存在阶梯，并且及时响应，超前进行处理，无延时滞后，提高了工作效率。

Description

一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质

技术领域

本申请涉及步进电机控制技术领域，尤其涉及一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

目前，步进控制系统大都具有多档细分选择，细分数越大，电机电流波形越接近正弦波，电机运行也越平稳。但在很多应用场合，使用小细分低速运行时电机电流波形存在明显的阶梯状，电机运行抖动大，噪音高。目前的处理方式为脉冲平均滤波法，但该方法延时滞后，且在速度较低时效果也不理想。

发明内容

本申请实施例提供了一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质，用于提高步进电机运行平稳性，解决现有步进电机在小细分低速运行时电机电流波形存在明显的阶梯状、电机运行抖动大、噪音高的问题。

本申请实施例提供的步进电机控制方法，包括：

计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

可选地，所述计算每次输入脉冲的脉冲数，包括：

将输入脉冲接入步进电机中处理器的外部计数器对输入脉冲进行计数，计算出脉冲数。

可选地，所述对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，包括：

根据步进电机的驱动器的外部所有细分档位，在驱动器内部构建对应的公共细分档位；其中，所述公共细分档位为所有细分档位的最小公倍数的整数倍；

将所述公共细分档位作为内部微细分处理的公共细分，根据所述公共细分档位得到各细分档位对应的倍数；其中，所述输入脉冲具有对应的细分档位；

对所述脉冲数乘以对应的倍数进行内部微细分处理，得到对应的内部微细分脉冲数。

可选地，所述将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数，包括：

构建总脉冲数寄存器，将每次采样的内部微细分脉冲数都累加到所述总脉冲数寄存器中得到总微细分脉冲数。

可选地，所述捕获输入脉冲的脉冲周期包括：

将输入脉冲接入步进电机中处理器的输入捕获单元对脉冲周期进行捕获，得到输入脉冲的脉冲周期。

可选地，所述根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度，包括：

根据输入电机的脉冲数计算对应的角位移；

根据所述脉冲周期和角位移得到电机的实时运行速度。

可选地，所述根据所述脉冲周期和位移得到电机的实时运行速度，包括：

根据所述脉冲周期得知捕获出单个脉冲或多个脉冲所用的时间；

根据所述角位移除以所用的时间即可得出电机的实时运行速度。

本申请实施例提供的步进电机控制装置，包括：

脉冲计算模块，用于计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

速度获取模块，用于捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

信号调节模块，用于根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

本申请实施例提供的步进电机，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的步进电机控制方法的步骤。

本申请实施例提供的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的步进电机控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本实施例中，计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行；使得电机在小细分低速运行时能达到最大细分运行时一样的平稳度和静音效果，电流波形为完全的正弦波，即使在极低的速度段也不存在阶梯，并且及时响应，超前进行处理，无延时滞后，提高了工作效率。

附图说明

图1为本申请实施例中步进电机控制方法的一个实施例示意图；

图2为本申请实施例中步进电机控制装置的一个实施例示意图；

图3为本申请实施例中步进电机的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种步进电机控制方法、装置、步进电机及存储介质，用于提高步进电机运行平稳性，解决现有步进电机在小细分低速运行时电机电流波形存在明显的阶梯状、电机运行抖动大、噪音高的问题。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

下面对本申请实施例中的具体流程进行描述，请参阅图1，本申请实施例中步进电机控制方法的一个实施例包括：

100、计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数。

本实施例中，本申请提供了一个步进电机控制装置来控制步进电机的电机运行，步进电机乃常规电机，其内部结构包括电机、处理器、驱动器、PWM驱动模块等，此处不做详述。本申请提供了一种步进电机驱动器内部微细分控制的方法，主要对输入步进电机的脉冲进行处理。优选地，所述计算每次输入脉冲的脉冲数，包括：将输入脉冲接入步进电机中处理器的外部计数器对输入脉冲进行计数，计算出脉冲数。关于脉冲计数有多种实现方式，在实际应用时，本申请将输入脉冲接入CPU，接到CPU的外部计数器对脉冲进行计数，从而计算本次输入的脉冲数。

关于如何对所述脉冲数进行内部微细分处理，优选地，所述对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，包括：

根据步进电机的驱动器的外部所有细分档位，在驱动器内部构建对应的公共细分档位；其中，所述公共细分档位为所有细分档位的最小公倍数的整数倍；

将所述公共细分档位作为内部微细分处理的公共细分，根据所述公共细分档位得到各细分档位对应的倍数；其中，所述输入脉冲具有对应的细分档位；

对所述脉冲数乘以对应的倍数进行内部微细分处理，得到对应的内部微细分脉冲数。

具体来说，本实施例中内部微细分处理具体可为：首先，对所有的细分档位在驱动器内部构建一个公共细分档位，这个公共细分档位为外部设置的细分档的最小公倍数的整数倍。然后，按各细分档位的公倍数作为内部微细分的公共细分，那么，各细分档位对应不同的倍数。由于输入步进电机的脉冲对应的细分档位是在驱动器外部设置的，那么所述输入脉冲具有对应的细分档位，然后，对所述脉冲数乘以脉冲数对应的细分档位的对应倍数，便可得到较大的内部微细分脉冲数。需要说明的是，关于细分档位，以及细分均为步进电机的现有技术名词，此处不再详细说明。

优选地，所述将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数，包括：构建总脉冲数寄存器，将每次采样的内部微细分脉冲数都累加到所述总脉冲数寄存器中得到总微细分脉冲数。具体来说，本实施例对每次输入的脉冲进行内部微细分处理，然后将每次得到的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数。

200、捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度。

本实施例中，捕获输入脉冲的脉冲周期可采用将输入脉冲接入步进电机中处理器的输入捕获单元对脉冲周期进行捕获，从而得到输入脉冲的脉冲周期。关于处理器的输入捕获单元捕获脉冲周期，此乃现有技术，此处不做过多说明。

然后，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度。关于具体如何计算电机运行速度，优选地，所述根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度，包括：根据输入电机的脉冲数计算对应的角位移；根据所述脉冲周期和角位移得到电机的实时运行速度。具体来说，步进电机包括定子和转子，其转子的角位移与脉冲数相关，这样，根据脉冲周期和脉冲数，便可计算出电机的实时运行速度。

进一步地，所述根据所述脉冲周期和位移得到电机的实时运行速度，包括：根据所述脉冲周期得知捕获出单个脉冲或多个脉冲所用的时间；根据所述角位移除以所用的时间即可得出电机的实时运行速度。本实施例中，其速度计算原理如下，电机中包括定子和转子，以转子转动的角位移除以移动所花的时间，那么便可得到电机的实时运行速度。

300、根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

本实施例中，根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度进行采用直线插补算法计算，从而得到每个脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)周期的内部微脉冲数，也就是每个PWM周期需要输出的真实的内部微脉冲数。内部微脉冲是对输入的脉冲进一步微细化，将每个PWM周期电机运行的角度更加均匀，微细分做得越小，步进电机走得越均匀，也使得驱动器输出给电机的电流波形越接近与正弦波。

然后，本申请实施例根据所述内部微脉冲数控制生成对应的PWM信号，也就是CPU控制PWM驱动模块生成对应的PWM信号，PWM信号中包含的内部微脉冲数为上述步骤计算得到的内部微脉冲数，然后PWM信号输入到步进电机的电机中，从而控制电机运行。这样，由于公共细分档位很大，小细分档位时，每个输入的脉冲变成数量很大的微脉冲，而利用速度的处理方式，又达到了实时的处理效果，从而使得电机在小细分低速运行时能达到最大细分运行时一样的平稳度和静音效果，电流波形为完全的正弦波，即使在极低的速度段也不存在阶梯，并且及时响应，无延时滞后。

以下以一应用实施例对本申请的步进电机控制方法详细说明如下。

本申请中，输入脉冲分两路接入CPU，一路接到CPU的外部计数器对脉冲进行计数，计算本次输入的脉冲数，对本次输入的脉冲数乘以倍数进行内部微细分处理(按各细分档位的公倍数作为内部微细分的公共细分，各细分档位对应不同的倍数)。得到较大的内部微细分脉冲，每次计入的内部微细分脉冲做累加，得到总的微细分脉冲数。另一路接到CPU的输入捕获单元对脉冲周期进行捕获，计算出电机实时运行速度。通过总的微细分脉冲数和电机的实时运行速度通过直线插补的原理计算出每个PWM周期需要输出的真实的内部微脉冲数。电机在小细分低速运行时能达到最大细分运行时一样的平稳度和静音效果，电流波形为完全的正弦波，即使在极低的速度段也不存在阶梯；采用实时速度计算方法，避免了延时处理，对输入的脉冲进行及时处理并响应，无延时滞后。

譬如驱动器外部可以设置的细分为：2细分，4细分，8细分，16细分，32细分，64细分，128细分，256细分共8档。那么这些细分数的最小公倍数为256细分。这样不管外部设置细分数为多少，在驱动器内部全部以256细分来运行。当然对于外部来讲还是对应的外部设置的细分数。假如外部设置的细分为2细分。那么每接受一个脉冲，在内部计算时将其内部微细分化，一个脉冲变为128个微脉冲(128＝256/2)。这样每一个PWM周期就可以获得更加平均的脉冲数，有利于提高控制精度，使得电机的电流波形非常接近于正弦，电机运行更加平稳。

上面对本申请实施例中的步进电机控制方法进行了描述，下面对本申请实施例中的步进电机控制装置进行描述：

请参阅图2，本申请实施例中步进电机控制装置的一个实施例包括：

脉冲计算模块10，用于计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

速度获取模块20，用于捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

信号调节模块30，用于根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

上面从模板化功能实体的角度对本申请实施例中的步进电机控制装置进行描述，下面从硬件处理的角度对本申请实施例中的步进电机控制进行描述。

请参阅图3，本申请实施例中的步进电机可包括输入接口310、输出接口320、处理器330和存储器340。本申请实施例中的输入接口310和输出接口320可以是多种规格的现有接口。存储器340可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器330提供指令和数据。存储器340的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(non-volatile random accessmemory，NVRAM)。存储器340存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者它们的子集，或者它们的扩展集:操作指令：包括各种操作指令，用于实现各种操作。操作系统：包括各种系统程序，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。

本发明实施例中处理器330用于：

计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

处理器330控制步进电机的操作，处理器330还可以称为中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)。存储器340可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器330提供指令和数据。存储器340的一部分还可以包括NVRAM。具体的应用中，步进电机的各个组件通过总线系统350耦合在一起，其中总线系统350除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图中将各种总线都标为总线系统350。当然步进电机中还包括电机、PWM模块等，图中未示出。

上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器330中，或者由处理器330实现。处理器330可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器330中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器330可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processing，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(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、单片机。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。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。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器340，处理器330读取存储器340中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

图3的相关描述可以参阅图1方法部分的相关描述和效果进行理解，本处不做过多赘述。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种步进电机控制方法，其特征在于，包括：

计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算每次输入脉冲的脉冲数，包括：

将输入脉冲接入步进电机中处理器的外部计数器对输入脉冲进行计数，计算出脉冲数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，包括：

根据步进电机的驱动器的外部所有细分档位，在驱动器内部构建对应的公共细分档位；其中，所述公共细分档位为所有细分档位的最小公倍数的整数倍；

将所述公共细分档位作为内部微细分处理的公共细分，根据所述公共细分档位得到各细分档位对应的倍数；其中，所述输入脉冲具有对应的细分档位；

对所述脉冲数乘以对应的倍数进行内部微细分处理，得到对应的内部微细分脉冲数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数，包括：

构建总脉冲数寄存器，将每次采样的内部微细分脉冲数都累加到所述总脉冲数寄存器中得到总微细分脉冲数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕获输入脉冲的脉冲周期包括：

将输入脉冲接入步进电机中处理器的输入捕获单元对脉冲周期进行捕获，得到输入脉冲的脉冲周期。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度，包括：

根据输入电机的脉冲数计算对应的角位移；

根据所述脉冲周期和角位移得到电机的实时运行速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述脉冲周期和位移得到电机的实时运行速度，包括：

根据所述脉冲周期得知捕获出单个脉冲或多个脉冲所用的时间；

根据所述角位移除以所用的时间即可得出电机的实时运行速度。

8.一种步进电机控制装置，其特征在于，包括：

脉冲计算模块，用于计算每次输入脉冲的脉冲数，对所述脉冲数进行内部微细分处理得到对应的内部微细分脉冲数，将每次计入的内部微细分脉冲数累加得到总微细分脉冲数；

速度获取模块，用于捕获输入脉冲的脉冲周期，根据所述脉冲周期计算出步进电机中电机的实时运行速度；

信号调节模块，用于根据所述总微细分脉冲数和实时运行速度通过直线插补原理计算出每个脉冲宽度调制周期的内部微脉冲数，根据所述内部微脉冲数控制生成对应的脉冲宽度调制信号以控制所述电机运行。

9.一种步进电机，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述方法的步骤。