CN108199629A - 一种步进电机控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及体外诊断技术领域，特别涉及一种步进电机控制方法及装置。该方法为：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速‑输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速‑输出力矩曲线公式，并基于所述转速‑输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速‑加速度曲线；基于所述转速‑加速度曲线，生成相应的时间‑转速曲线，并将所述时间‑转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间‑转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制，采用上述方法，提高加速效率的同时，避免了步进电机在高速运转时失步现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及体外诊断技术领域，特别涉及一种步进电机控制方法及装置。
背景技术
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机在运转过程中，需避免失步现象的发生，实现步进电机的精准控制，而步进电机在运转过程中，需时刻保证步进电机当前转速下的输出力矩大于负载力矩，才是避免步进电机产生失步的唯一条件。所谓失步，指的是步进电机在运转时运转的步数不等于理论上的步数。
目前，在三相电机或直流电机的控制过程中，控制器可以通过实时采集电机绕组的电压、电流信息，通过电机数学模型来计算出电机当前输出力矩，从而调整电机的转速，以控制电机按照预期运转。然而，步进电机作为较低成本的开环位置的控制电机，控制器一般不具备绕组电压、电流信息实时采集的功能，步进电机的控制器一般为固定电压提供，绕组电流为恒流模式控制，通过接收控制脉冲来控制电机转动，显然，步进电机的控制方式与三相电机/直流电机的控制方式有本质上的区别，无法使用三相电机/直流电机的电机数学模型对步进电机进行控制。
那么，现有的步进电机控制技术中，步进电机加减速控制方法是按照某种固定形态的曲线进行控制的，如梯形一次函数加减速曲线、S型二次函数加减速曲线、指数函数加减速曲线等，为了保证步进电机在运转过程中避免失步现象的发生，采用常规平滑曲线对步进电机进行加减速控制，当步进电机型号发生变化/同一步进电机的负载发生变化时，通过调整加减速参数重新确定出能避免步进电机在运转过程中发生失步现象的曲线。
然而，目前通过常规的平滑曲线对步进电机进行控制的方式，未考虑步进电机的输出力矩的变化特性，无法充分利用步进电机的输出力矩，在加速过程中，达到最大速度所需的时间较长，从而导致加速效率低，且现有的步进电机控制方式无法保证步进电机在高速运转时，而不产生失步的问题。
发明内容
目前，在用于体外诊断的血液分析仪器中，样本管是由机械抓手进行抓取，机械转手的上下运动的控制由步进电机带动皮带进行。由于机械抓手运动速度较快，体积较小，运动过程中容易产生失步，且由于空间限制，无法增加编码器等位置传感器进行失步后的补偿。
本发明实施例的目的是提供一种步进电机控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的无法充分利用步进电机的输出力矩，在加速过程中，达到最大速度所需的时间较长，加速效率低，且无法保证步进电机在高速运转时，而不产生失步的问题。
本发明实施例中提供的具体技术方案如下：
一种步进电机控制方法，应用于血液分析仪器中，包括：
将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；
基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；
基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
较佳的，预先建立步进电机的转速-输出力矩数学模型，具体包括：
根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：
公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；
采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：
公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；
采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：
公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；
采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：
公式四：
其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；
将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：
公式五：
较佳的，基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线，具体包括：
将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；
采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式六：
在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；
采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；
基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。
较佳的，确定所述总负载力矩，具体包括：
在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：
公式八：MS＝(ML+MK)×KS；
在所述步进电机减速运转过程中，采用公式九计算总负载力矩：
公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
较佳的，基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，具体包括：
在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速；
在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。
较佳的，基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速，具体包括：
采用公式十计算下一计算时间点的转速：
公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。
较佳的，将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，具体包括：
基于预设的时间间隔对所述时间-转速曲线进行离散化处理；
生成时间轴上各时间点相对应的脉冲频率。
一种步进电机控制装置，应用于血液分析仪器中，包括：
第一生成单元，用于将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；
第二生成单元，用于基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；
控制单元，用于基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
较佳的，所述装置进一步包括建立单元，在预先建立步进电机的转速-输出力矩数学模型时，所述建立单元具体用于：
根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：
公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；
采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：
公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；
采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：
公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；
采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：
公式四：其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；
将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：
公式五：
较佳的，在基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线时，所述第一生成单元具体用于：
将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；
采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式六：
在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；
采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；
基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。
较佳的，在确定所述总负载力矩时，所述第一生成单元具体用于：
在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：
公式八：MS＝(ML+MK)×KS；
在所述步进电机减速运转过程中，采用公式九计算总负载力矩：
公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
较佳的，在基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线时，所述第二生成单元具体用于：
在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速；
在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。
较佳的，在基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速时，所述第二生成单元具体用于：
采用公式十计算下一计算时间点的转速：
公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。
较佳的，在将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号时，所述第二生成单元具体用于：
基于预设的时间间隔对所述时间-转速曲线进行离散化处理；
生成时间轴上各时间点相对应的脉冲频率。
一种计算设备，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行上述任一项方法。
一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使所述计算机执行上述任一项方法。
本发明有益效果如下：
综上所述，本发明实施例中，在对步进电机进行控制的过程中，将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
采用上述控制方法，通过步进电机的特性参数，系统运行参数和已建立的转速-输出力矩的数据模型，生成相应的转速-输出力矩曲线公式，进一步的根据转速-输出力矩曲线公式和负载参数生成最终的时间-转速曲线，充分考虑了电机的特性参数，贴合步进电机在转速变化过程中输出力矩的变化特性，充分利用了步进电机的输出力矩，从而降低了加速所需时间，提高加速效率的同时，避免了步进电机在高速运转时失步现象的发生。
附图说明
图1为本发明实施例中，一种步进电机控制方法的详细流程图；
图2为本发明实施例中，转速-输入力矩曲线示意图；
图3为本发明实施例中，时间-转速曲线示意图；
图4为本发明实施例中，一种步进电机控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中存在的无法充分利用步进电机的输出力矩，在加速过程中，达到最大速度所需的时间较长，加速效率低，且无法保证步进电机在高速运转时，而不产生失步的问题，本发明实施例中提供了一种新的步进电机控制方法及装置，该方法为：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将通过具体实施例对本发明的方案进行详细描述，当然，本发明并不限于以下实施例。
参阅图1所示，本发明实施例中，一种步进电机控制方法的详细流程如下：
步骤100：建立步进电机的转速-输出力矩数学模型。
实际应用中，步进电机的输出力矩来自于步进电机绕组电流通过绕组线圈时，在步进电机的定子产生的磁场(即步进电机的励磁系数)下产生的电磁力，步进电机定子产生的磁场大小恒定，步进电机的绕组有效长度恒定，那么，根据电磁感应原理可知，绕组电流越大，输出力矩越大。
具体的，可采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：
公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂。
进一步的，随着步进电机转速的增大，步进电机绕组线圈在定子磁场中感应出的电动势也越大，且步进电机转速越高，绕组线圈中通过的电流频率也越高，而在高频电流下，绕组的感抗也越大。
具体的，本发明实施例中，可采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：
公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速。
本发明实施例中，可采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：
公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积。
而实际应用中，绕组实时电流大小与感应电动势和绕组感抗的大小相关联，如，在供电电压和绕组电阻不变的情况下，感应电动势和绕组感抗增大，绕组电流减小。具体的，本发明实施例中，可采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：
公式四：其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻。
本发明实施例中，将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：
公式五：
实际应用中，步进电机转速增大，导致感应电动势和绕组感抗增大，绕组电流随之减小。本发明实施例中，将公式二、三代入公式四中，可得到绕组电流与步进电机转速之间的关系，再将公式四代入公式一中，可得到所述步进电机的转速与步进电机的输出力矩之间的关系。
步骤110：将上述步进电机的特性参数和系统运行参数代入上述转速-输出力矩数学模型中，生成上述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于上述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成上述步进电机的转速-加速度曲线。
实际应用中，步进电机的特性参数至少包括励磁系数，绕组电阻，绕组电感，绕组力矩有效力臂，电机绕组有效长度等，一个步进电机的特性参数可由电机厂商提供，当然，某些特性参数也可以通过仪表测量直接得到。系统运行参数至少包括步进电机驱动器细分数与斩波频率等。
本发明实施例中，在执行步骤110时，将待控制步进电机的特性参数和系统运行参数代入已建立的转速-输出力矩数学模型中，得到相应的可用于表征步进电机的转速与步进电机输出力矩之间的关系的曲线公式，即步进电机的输出力矩随步进电机的转速变化而变化的曲线公式。
进一步的，本发明实施例中，在生成上述步进电机的转速-输出力矩曲线公式之后，将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线。
例如，参阅图2所示，本发明实施例中，一种基于步进电机特性参数，系统运行参数和转速-输出力矩数学模型生成的速度-输出力矩曲线示意图。其中横坐标为步进电机的转速(即速度)，纵坐标为步进电机在相应速度下能够输出的最大力矩。显然，随着步进电机速度的不断增加，步进电机可输出的最大力矩不断减小。
本发明实施例中，可采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式六：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量。
需要说明的是，在步进电机负载已知的情况下，可通过现有技术确定负载的转动惯量，本发明实施例中，在此不再赘述。
实际应用中，对步进电机的一次从启动到停止的控制可以包括加速运转过程，恒速运转过程和减速运转过程。那么，步进电机在运转过程中，总负载距离至少包括步进电机的负载产生的力矩和摩擦和克服重力产生的力矩，那么，步进电机在加速和恒速运转过程中，摩擦和克服重力产生的力矩为不利步进电机运转的力矩，具体的，在加速和恒速运转过程中，步进电机总负载力矩可通过公式八来计算：
公式八：MS＝(ML+MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
本发明实施例中，设置有安全系数，是将总负载力矩进行一个方法处理，以保障步进电机运转的安全性。
相应的，步进电机在减速运转过程中，摩擦和克服重力产生的力矩有利于步进电机减速，那么，在减速运转过程中，步进电机总负载力矩可采用公式九计算：
公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；
具体的，在实际应用中，步进电机在加速运转过程中，若加速度变为0或步进电机转速达到预设值(即最大转速)时，步进电机恒速运转，需要注意的是，步进电机在恒速运转过程中，需保证步进电机在最大转速下恒速运转时的输出力矩大于总负载力矩。从而确保步进电机运转过程中不失步。
采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量。
基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。
步骤120：基于上述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将上述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，上述控制信号为上述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率。
具体的，本发明实施例中，在生成相应的转速-加速度曲线之后，在执行步骤120基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线时，具体包括：
在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速。
当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速。
在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速。
采用公式十计算下一计算时间点的转速：
公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。
例如，假设当前计算点的转速为1000，加速度为2000转/s2，两个相邻计算时间点的间隔为2ms，那么，下一计算时间点的转速为3000+(2000×2)/1000＝3004。
基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。
进一步的，将上述时间-转速曲线离散化，生成时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率的阶梯表。
例如，参阅图3所示，本发明实施例中，一种步进电机运转过程中时间-速度曲线示意图。横坐标为时间，纵坐标为转速。
步骤130：基于上述控制信号对上述步进电机进行控制。
具体的，在执行步骤130时，将生成的时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率的脉冲频率阶梯表下发至用于驱动步进电机运转的驱动控制单元，以触发驱动控制单元根据脉冲频率结题表中的数据不断更新驱动输出脉冲频率，控制电机按照时间-转速曲线进行运转。
基于上述实施例，参阅图4所示，本发明实施例中，一种步进电机控制装置，至少包括第一生成单元40，第二生成单元41和控制单元42，其中，
第一生成单元40，用于将所述步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；
第二生成单元41，用于基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；
控制单元42，用于基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
较佳的，所述装置进一步包括建立单元，在建立步进电机的转速-输出力矩数学模型时，所述建立单元具体用于：
根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：
公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；
采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：
公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；
采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：
公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；
采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：
公式四：其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；
将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：
公式五：
较佳的，在基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线时，所述第一生成单元40具体用于：
将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；
采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式六：
在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；
采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；
基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。
较佳的，在确定所述总负载力矩时，所述第一生成单元40具体用于：
在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：
公式八：MS＝(ML+MK)×KS；
在所述步进电机减速运转过程中，采用公式九计算总负载力矩：
公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
较佳的，在基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线时，所述第二生成单元41具体用于：
在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速；
在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。
较佳的，在基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速时，所述第二生成单元41具体用于：
采用公式十计算下一计算时间点的转速：
公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。
较佳的，在将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号时，所述第二生成单元41具体用于：
基于预设的时间间隔对所述时间-转速曲线进行离散化处理；
生成时间轴上各时间点相对应的脉冲频率。
综上所述，本发明实施例中，在对步进电机进行控制的过程中，将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
采用上述控制方法，通过步进电机的特性参数，系统运行参数和已建立的转速-输出力矩的数据模型，生成相应的转速-输出力矩曲线公式，进一步的根据转速-输出力矩曲线公式和负载参数生成最终的时间-转速曲线，充分考虑了电机的特性参数，贴合步进电机在转速变化过程中输出力矩的变化特性，充分利用了步进电机的输出力矩，从而降低了加速所需时间，提高加速效率的同时，避免了步进电机在高速运转时失步现象的发生。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种步进电机控制方法，应用于血液分析仪器中，其特征在于，包括：
将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；
基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；
基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先建立步进电机的转速-输出力矩数学模型，具体包括：
根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：
公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；
采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：
公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；
采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：
公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；
采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：
公式四：
其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；
将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：
公式五：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线，具体包括：
将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；
采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式六：
在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；
采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：
公式七：
其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；
基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述总负载力矩，具体包括：
在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：
公式八：MS＝(ML+MK)×KS；
在所述步进电机减速运转过程中，采用公式九计算总负载力矩：
公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，具体包括：
在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速；
在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；
基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速，具体包括：
采用公式十计算下一计算时间点的转速：
公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，具体包括：
基于预设的时间间隔对所述时间-转速曲线进行离散化处理；
生成时间轴上各时间点相对应的脉冲频率。
8.一种步进电机控制装置，应用于血液分析仪器中，其特征在于，包括：
第一生成单元，用于将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；
第二生成单元，用于基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；
控制单元，用于基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使所述计算机执行权利要求1至7任一项所述的方法。
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