CN109842333B - 一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法 - Google Patents
一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，包括以下步骤：1)规划加速度规划表和速度规划表；2)根据摇杆倾斜角度的范围，得到角度区间表和阶梯速度表；3)根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和阶梯速度表获取步进电机的目标速度Vp，与步进电机当前阶梯速度VC比较，相等则保持当前运行状态，否则保持当前步进电机速度匀速运行一段时间t，确保步进电机运行在当前阶梯速度的平稳状态之后再进行下一个阶梯速度的加减速运动，过程中摇杆的按键按下则结束摇杆对步进电机的控制。本发明实现摇杆精确稳定控制步进电机，在步进电机带大负载或高速运行阶段能有效避免抖动，提高摇杆控制步进电机运动稳定性。
Description
技术领域
本发明属于运动控制技术领域，尤其是一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法。
背景技术
一般所说的摇杆指设计为街机游戏，飞行模拟类等游戏使用的摇杆，但是由于摇杆简单易用，工业生产生活中也常常用摇杆来实现对一些设备的控制，其中摇杆对步进电机的控制就是一种比较普遍的应用，并且越来越受到人们的关注。摇杆实现对步进电机的控制主要根据摇杆输出模拟量的变化也就是摇杆的倾斜角度的变化来控制步进电机的速度。目前，摇杆对于步进电机的速度控制关系主要有两种，分别是直线关系和曲线关系，在实际使用中，由于手动误差和摇杆的机械误差，步进电机的速度会因为无法及时响应摇杆倾斜角度变化导致步进电机产生丢步现象，特别是步进电机带大负载运行或者工作在高速模式下，直线关系和曲线关系都极易引起步进电机的抖动。因此，为了提高摇杆控制步进电机带大负载和高速工作时的稳定性和控制精度，需要一种新的基于摇杆的步进电机速度控制方法。
发明内容
为了提高摇杆控制步进电机带大负载和高速工作时的稳定性和控制精度，本发明提出了一种可以实现电机带大负载或者工作在高速模式下平稳运行，有效防止抖动和丢步的基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，所述方法包括以下步骤：
1)根据步进电机的矩频特性，对步进电机的加速过程进行规划，从而得出加速度规划表(a0,a1,···,an-1)，下标0到n-1表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值，根据加速度规划表得到对应的速度规划表(v1,v2,···,vn),下标1到n表示速度的规划顺序，v表示速度的大小；
2)根据摇杆倾斜角度的范围，将整个范围分成m-1个角度区间，得到角度区间表([θ1,θ2],[θ2,θ3],…,[θm-1,θm])，下标1到m-1表示角度区间从小到大每个区间的边界顺序，θ表示摇杆倾斜角度的大小；根据摇杆倾斜角度区间，从小到大分配对应的目标速度，得出阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)，其中1到m-1表示模拟量对应的速度的顺序，V表示步进电机摇杆倾斜角度对应的目标速度大小；
3)根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和阶梯速度表获取当前步进电机的目标阶梯速度；之后根据当前步进电机的所处的运行状态和阶梯速度，结合速度规划表对步进电机进行加减速控制。
进一步，在所述步骤1)中，加速度规划表(a0,a1,···,an-1)和速度规划表(v1,v2,···,vn)满足“S”型速度规划，加减速过程更加平滑。步进电机每隔一个固定时间T进行一次加减速，其中vn表示经过n-1次加速后，步进电机对应的速度。
再进一步，在所述步骤2)中，角度区间表的每个区间大小相等，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm，阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)中的所有速度取值都来自于速度规划表(v1,v2,···,vn)。
更进一步，所述步骤1)和2)中，根据步进电机的矩频特性结合“S”型速度规划，得到整个过程的加速度表(a0,a1,···,an-1)，加速度计算公式如下：
ai＝iKT+amin 0≤i＜60 (1)
ai＝amax 60≤i≤70 (2)
ai＝-KT*(i-130)+amin 70＜i≤130 (3)
公式中i为自然数，K和T都为常数，分别是加加速阶段加速度线段对应的斜率和加速周期，amin为最小加速度，a0＝amin，amax为最大加速度；摇杆控制的步进电机的速度计算公式如下：
其中v1＝v0＝vmin,vn表示第n-1次加速后步进电机达到的速度；将摇杆角度范围均分为m-1个区间，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm。
在所述步骤3)中，根据当前摇杆倾斜角度获取步进电机的目标速度Vp后，与步进电机当前阶梯速度VC比较，相等则保持当前运行状态，否则保持步进电机当前速度匀速运行一段时间t，确保步进电机运行在当前阶梯速度的平稳状态之后再进行步进电机的加减速运动，过程中摇杆的按键按下则结束摇杆对步进电机的控制。
本发明的有益效果表现在：(1)摇杆对于步进电机的速度控制关系采用了阶梯的形式，有效避免了手动误差和摇杆机械误差带来的扰动；(2)步进电机运动过程中的加减速速度规划实时调用提前规划好的速度规划表(v1,v2,···,vn)，减小了摇杆控制步进电机运动过程中的计算量和机械延时；(3)每一次阶梯速度改变之前，以步进电机当前速度匀速运动一段时间t，保证步进电机进入当前阶梯速度的平稳运行状态再进行下一个阶梯速度的加减速运动，有效得避免了步进电机带大负载或高速运动时的抖动，提高了摇杆控制步进电机的稳定性；(4)该方法基于STM32F103实现，该单片机成本低，体积小。
附图说明
图1为基于摇杆的步进电机阶梯速度控制实现的流程图。
图2为基于摇杆的步进电机阶梯速度控制实现的规划曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。参照图1和图2，一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，所述方法包括以下步骤：
1)加速度规划表(a0,a1,···,an-1)，下标0到n-1表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值。每隔时间T进行一次加减速，计算得到电机的速度规划表(v1,v2,···,vn)；
2)角度区间表([θ1,θ2],[θ2,θ3],…,[θm-1,θm])，下标1到m表示角度区间从小到大每个区间的边界顺序，θ表示摇杆倾斜角度的大小。阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)，其中1到m-1表示模拟量对应的速度的顺序，V表示步进电机在当前摇杆倾斜角度时对应的目标速度大小；
3)根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和倾斜角度速度表获取当前步进电机的目标阶梯速度；之后根据当前步进电机的所处的运行状态和阶梯速度，结合速度规划表对步进电机进行加减速控制。
进一步，在所述步骤1)中，加速度规划表(a0,a1,···,an-1)和速度规划表(v1,v2,···,vn)满足“S”型速度规划，加减速过程更加平滑。步进电机每隔一个固定时间T进行一次加减速，其中vn表示经过n-1次加速后，步进电机对应的速度。
再进一步，在所述步骤2)中，角度区间表的每个区间大小相等，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm，阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)中的所有速度取值都来自于速度规划表(v1,v2,···,vn)。
更进一步，在所述步骤1)和步骤2)中，根据点钻步进电机的矩频特性结合“S”型速度规划，得到整个过程的加速度表(a0,a1,···,an-1)，加速度计算公式如下：
ai＝iKT+amin 0≤i＜60 (1)
ai＝amax 60≤i≤70 (2)
ai＝-KT*(i-130)+amin 70＜i≤130 (3)
公式中i为自然数，K和T都为常数，分别是加加速阶段加速度线段对应的斜率和加速周期，amin为最小加速度，a0＝amin，amax为最大加速度；
摇杆控制的步进电机的速度计算公式如下：
其中v1＝v0＝vmin,vn表示第n-1次加速后步进电机达到的速度；将摇杆角度范围均分为m-1个区间，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm。
在所述步骤3)中，根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和阶梯速度表获取当前步进电机的目标速度Vp，与步进电机当前阶梯速度VC比较，相等则保持当前运行状态，否则保持当前步进电机速度匀速运行一段时间t，确保步进电机运行在当前阶梯速度的平稳状态之后再进行步进电机下一个阶梯速度的加减速运动。
本发明提出的一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，步进电机运动过程中的加减速实时调用提前规划好的速度规划表，减小了运动过程中的计算量和机械延时；摇杆对于步进电机的速度控制关系表采用了阶梯的形式，有效避免了手动误差和摇杆机械误差带来的扰动；每一次阶梯速度改变之前，步进电机以当前速度匀速运行一段时间t保证进入当前阶梯速度的稳定状态后再进行下一个阶梯的加减速运动，有效得避免了步进电机带大负载或高速运动时的抖动，提高了摇杆控制步进电机的稳定性，整个速度控制方法在保证精度的同时，特别是在步进电机带大负载或高速运行阶段提高了摇杆对步进电机速度控制的工作稳定性。
Claims (3)
1.一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)根据步进电机的矩频特性，对步进电机的加速过程进行规划，从而得出加速度规划表(a0,a1,…,an-1)，下标0到n-1表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值，根据加速度规划表得到对应的速度规划表(v1,v2,…,vn),下标1到n表示速度的规划顺序，v表示速度的大小；
2)根据摇杆倾斜角度的范围，将这个范围均分成m-1个角度区间，得到角度区间表([θ1,θ2],[θ2,θ3],…,[θm-1,θm])，下标1到m表示角度区间从小到大每个区间的边界顺序，θ表示摇杆倾斜角度的大小；根据摇杆倾斜角度区间，从小到大分配对应的目标速度，得出阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)，其中1到m-1表示摇杆倾斜角度对应目标速度的顺序，V表示步进电机摇杆倾斜角度对应的目标速度大小；
3)根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和阶梯速度表获取步进电机的目标速度；之后根据当前步进电机的运行状态，结合速度规划表对步进电机进行加减速控制；
在所述步骤1)中，加速度规划表(a0,a1,…,an-1)和速度规划表(v1,v2,…,vn)满足“S”型速度规划，加减速过程更加平滑，步进电机每隔一个固定时间T进行一次加减速，其中vn表示经过n-1次加速后，步进电机对应的速度；
在所述步骤2)中，角度区间表的每个区间大小相等，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm，阶梯速度表(V1,V2,…,Vm-1)中的所有速度取值都来自于速度规划表(v1,v2,…,vn)。
2.如权利要求1所述的一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，其特征在于：所述步骤1)和2)中，根据步进电机的矩频特性结合“S”型速度规划，得到整个过程的加速度表(a0,a1,…,an-1)，加速度计算公式如下：
ai＝iKT+amin 0≤i＜60 (1)
ai＝amax 60≤i≤7 (2)
ai＝-KT*(i-130)+amin 70＜i≤130 (3)
公式中i为自然数，K和T都为常数，分别是加加速阶段加速度线段对应的斜率和加速周期，amin为最小加速度，a0＝amin，amax为最大加速度；摇杆控制的步进电机的速度计算公式如下：
其中v1＝v0＝vmin,vn表示第n-1次加速后步进电机达到的速度；将摇杆角度范围均分为m-1个区间，即θ1-θ2＝θ2-θ3＝…＝θm-1-θm。
3.如权利要求1所述的一种基于摇杆的步进电机阶梯速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据单片机得到摇杆的模拟量计算获得当前摇杆的倾斜角度，查角度区间表和阶梯速度表获取当前步进电机的目标速度Vp，与步进电机当前阶梯速度VC比较，相等则保持当前运行状态，否则保持当前步进电机速度匀速运行一段时间t，确保步进电机运行在当前阶梯速度的平稳状态之后再进行步进电机下一个阶梯速度的加减速运动，加减速过程严格按照速度规划表，过程中摇杆的按键按下则结束摇杆对步进电机的控制。
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