CN110109490A - 一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，根据检测得到的步进电机能允许的最大变化速度与最小变化速度，在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表；并根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表；最后将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线。本发明的方法在控制机头运行过程中使用了实时读取速度表的方法，大大节省了系统在加速、减速阶段的计算时间，解决了机头在短距离内提速的问题，减小计算误差，提高了控制精度。

Description

一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法

技术领域

本发明属于机械运动控制技术领域，尤其涉及一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法。

背景技术

近年来，随着制造业不断地发展与市场需求的扩大，采用由步进电机驱动机头进行往复运动的新型机器，受到广泛的关注和应用。例如，自动编织手套的手套机。手套机的机头运行系统主要依靠步进电机驱动机头进行往复运动，在一个部位编织周期内从零点位置到目标位置再从目标返回零点位置。

当机头正常进行往复运行时，步进电机会承受很大负载，这时容易发生过载现象从而引起丢步，导致机头运行位置发生偏差，当机器高速运动且速度变化频繁情况下更易发生机械碰撞损坏机器。

另外为了提高效率，机头的速度需要在短距离内迅速变化。

现有技术，在步进电机驱动机头的速度控制方面，很难保证在提升机头运行的速度同时保持较好的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，在提升机头运行速度的同时，提高了运行的稳定性。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，所述步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，包括：

检测机头在进行往复运动时，步进电机能允许的最大变化速度与最小变化速度；

在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表；

根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表；

将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线。

进一步地，所述在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表，包括：

令加速度表中的首个加速度b₁等于最大突变速度Δv_max，再根据S型曲线加减速控制算法依次递减得出b₁～b_m的值，m<n；

为使机头步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_y，令b_m＝b_m+1＝···＝b_n，即电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升，加速度表(b₁,b₂,···,b_n)具体计算公式如下：

b_i＝b₁·(1+cosθ_i)(b_i＞Δv_min)

其中b₁＝Δv_max，i是大于0的整数，b_i表示第i个规划周期的加速度值，当i满足b_i＜＝V_min＜b_i-1时，令m＝i，即此时b_i＝b_m，因此可得b_m～b_n的计算公式为：

b_m＝b_m+1＝···＝b_n。

进一步地，所述根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表，包括：

步进电机以v_min为起始速度，再根据加速度表(b₁,b₂,···,b_n)依次递增得出速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其计算公式如下：

v_n＝v_n-1+b₁·(1+cosθ_n-1)

其中v₁＝v_min、首个加速度值b₁等于最大突变速度Δv_max，v_m表示当加速度为b_n-1时步进电机所要达到的速度，结合规划周期可得出脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)的计算公式：

y_n＝v_n·t+y_n-1 (5)

其中y₁＝v₁·t，y_n表示步进电机以初速度v_min为起步速度，t为规划的周期，每经过一个规划周期t按照加速度表(b₁,b₂,···,b_n)进行一次提速当速度提升到v_n时其所运行的脉冲长度。

进一步地，所述将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线，包括：

将步进电机速度划分为加速、匀速、减速三段对称的速度曲线，根据加速、匀速、减速阶段加速度变化特性将加速度表分成加速阶段加速度逐渐减小阶段，匀速阶段加速度为零阶段、减速阶段加速度反向增大阶段，在加速阶段机头以v_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期t就按照速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一规划周期的速度值，减速速度曲线与加速阶段反向对称，规划方式相同，在达到目标位置前步进电机最大速度不超过目标速度时，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，当速度达到目标速度V_y或运动步长达到L/2时，运行状态进入匀速阶段，其中L为目标位置。

进一步地，所述步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，还包括：

读取速度表和脉冲步长表；

结合目标速度以及目标位置，从速度表内找出最接近目标速度的速度值与对应的脉冲步长表中的值，计算出第一基准距离和第二基准距离；

步进电机按照规划周期，依照速度表进行加速运动；

当步进电机当前位置等于第一基准距离时，步进电机进入匀速阶段，步进电机此时速度为整个行程中的最大速度；

当机头步进电机当前位置等于第二基准距离时，步进电机进入减速状态，此时步进电机依照速度表从最大速度按照规划周期进行减速；

当步进电机当前位置等于目标位置时，步进电机停止运行。

进一步地，所述结合目标速度以及目标位置，从速度表内找出最接近目标速度的速度值与对应的脉冲步长表中的值，计算出第一基准距离和第二基准距离，包括：

从速度表内找出最接近目标速度V_y的速度值v_q且v_q＜＝V_y，v_q的下标q对应脉冲步长表中的值为y_q，即步进电机速度达到v_q时其已运动的行程为y_q，分为两种情况：

如果行程步进电机运行实际能够达到的最大速度为v_q，此时的基准距离为：

Y_a＝y_q，Y_b＝L-y_q；

如果行程从脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)中找出最接近的脉冲长度y_r，且y_r＜L/2，步进电机运行过程中实际能够达到的最大速度为速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)中的v_r，此时基准距离为：

Y_a＝y_r，Y_b＝L-y_r；

其中，目标速度为V_y，目标位置为L，第一基准距离为Y_a，第二基准距离为Y_b。

本发明提出的一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，为了提升现有手套机机头运行的速度以及避免其在高速运动且加减速频繁的情况下存在的过载等缺点，通过运用离散速度规划方法，根据得出的加速度表和速度表使得步进电机在高速运行过程保持稳定的加速效果，增加了系统的稳定性，缩短了运行时间提高了效率；在控制机头运行过程中使用了实时读取速度表的方法，大大节省了系统在加速、减速阶段的计算时间，提高了处理效率。步进电机以最初的速度开始运行，采用加速度表中最大的加速度值，解决了机头在短距离内提速的问题。据加速度表通过目标位置与脉冲步长表的比对，精确得出机头理论能达到的最大速度，减小计算误差，提高控制精度。

附图说明

图1为本发明步进电机驱动机头的自适应速度控制方法流程图；

图2为本发明实施例机头步进电机运行流程图；

图3为本发明实施例机头步进电机的速度规划曲线示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，包括：

步骤S1、检测机头在进行往复运动时，步进电机能允许的最大变化速度与最小变化速度。

在实际的应用中，由于机头的机械结构、步进电机的型号属性不同，机头在进行往复运动时，步进电机能允许的最大变化速度Δv_max与最小变化速度Δv_min也不同。步进电机能允许的最大变化速度Δv_max与最小变化速度Δv_min可以通过现场检测得到。

本实施例以手套机为例进行说明，在手套机的现场，通过现场检测，确定机头在进行往复运动时，步进电机能允许最大变化速度Δv_max与最小变化速度Δv_min。关于具体的检测方法，可以通过速度仪器进行检测，本申请对此不做限制，这里不再赘述。

现场测试出的Δv_max需满足当机头在加减速后稳定运行，步进电机在当前阻力下以起步速度v_min突增Δv_max能够保持稳定运行；测试出的Δv_min需满足步进电机在高速运动时突增Δv_min不会引起过载和丢步。

步骤S2、在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表。

本实施例在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表(b₁,b₂,···,b_n)，其中1到n表示加速度的规划序号，b表示加速度的值。本实施例用到加减速控制算法中的S型曲线，他的加速阶段分为加加速阶段、与加速阶段、减加速阶段。S型曲线的核心思想是让加速度不产生突变，而是由零逐渐增加到目标加速度，并在撤销加速度时也采用逐渐减小加速度的方式。S型曲线的加速度是一个连续变化的过程，所以在机械运动的平衡稳定方面较好。

由于步进电机在低速阶段能承受较大阻力，且为实现手套机机头的快速提速，本实例令加速度表中的首个加速度b₁值等于最大突变速度Δv_max，再根据S型曲线加减速控制算法依次递减得出b₁～b_m的值，m<n；同时为使机头步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_y，令b_m＝b_m+1＝···＝b_n，即电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升，加速度表(b₁,b₂,···,b_n)具体计算公式如下：

b_i＝b₁·(1+cosθ_i)(b_i＞Δv_min) (2)

其中b₁＝Δv_max，即图2中电机的起步加速度设为最大变化速度，i是大于0的整数，b_i表示第i个规划周期的加速度值，当i满足b_i＜＝V_min＜b_i-1时，令m＝i，即此时b_i＝b_m，因此可得b_m～b_n的计算公式为：

b_m＝b_m+1＝···＝b_n (3)

此时机头稳定加速运行；其中b_m近似等于最小突变加速度，能满足任何时候速度的突变情况。

步骤S3、根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表。

具体地，步进电机以v_min为起始速度，即v₁＝v_min，再根据加速度表(b₁,b₂,···,b_n)依次递增得出速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其计算公式如下：

v_n＝v_n-1+b₁·(1+cosθ_n-1) (4)

其中v₁＝v_min、b₁＝Δv_max，v_m表示当加速度为b_n-1时步进电机所要达到的速度，再由式(4)结合规划周期可得出脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)的计算公式：

y_n＝v_n·t+y_n-1 (5)

其中y₁＝v₁·t，y_n表示步进电机以初速度v_min为起步速度，t为规划的周期，每经过一个规划周期t按照加速度表(b₁,b₂,···,b_n)进行一次提速当速度提升到v_n时其所运行的脉冲长度；

最后，存储速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)。

机头步进电机以v_min为起始速度，再根据加速度表(b₁,b₂,···,b_n)递增得出速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其中v_i表示在第i个规划周期时，步进电机的转速值；脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)中的y_i表示当电机转速值达到v_i时，电机已经运转的脉冲数值。又根据加速度表(b₁,b₂,···,b_n)得出的脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)可以计算出走到目标位置所需要发送的脉冲值，根据所需脉冲值主控制器在固定的时间内发送脉冲从而保证机头步进电机的稳定性。

步骤S4、将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线。

本步骤得出的机头步进电机加速度曲线是将步进电机速度划分为加速、匀速、减速三段对称的速度曲线。根据加速、匀速、减速阶段加速度变化特性将步骤S2得出的加速度表分成加速阶段加速度逐渐减小阶段，匀速阶段加速度为零阶段、减速阶段加速度反向增大阶段，在加速阶段机头以v_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期t就按照速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一规划周期的速度值，减速速度曲线与加速阶段反向对称，规划方式相同，在达到目标位置前步进电机最大速度不超过目标速度时，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，当速度达到目标速度V_y或运动步长达到L/2时，运行状态进入匀速阶段。

在一个实施例中，步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，还包括：

读取速度表和脉冲步长表；

结合目标速度以及目标位置，从速度表内找出最接近目标速度的速度值与对应的脉冲步长表中的值，计算出第一基准距离和第二基准距离；

步进电机按照规划周期，依照速度表进行加速运动；

当步进电机当前位置等于第一基准距离时，步进电机进入匀速阶段，步进电机此时速度为整个行程中的最大速度；

当机头步进电机当前位置等于第二基准距离时，步进电机进入减速状态，此时步进电机依照速度表从最大速度按照规划周期进行减速；

当步进电机当前位置等于目标位置时，步进电机停止运行。

在具体的实施例中，基于手套机机头运行的流程如图2所示，步骤F1先读取速度表和脉冲步长表，步骤F2结合目标速度V_y以及目标位置L计算出基准距离Y_a与Y_b。从速度表内找出最接近目标速度V_y的速度值v_q且v_q＜＝V_y，v_q的下标q对应脉冲步长表中的值为y_q，即步进电机速度达到v_q时其已运动的行程为y_q，分为两种情况：

(1)如果行程此时图3中步进电机运行实际能够达到的最大速度为v_q，此时的基准距离为：

Y_a＝y_q，Y_b＝L-y_q (6)

(2)如果行程从y₁,y₂,···,y_n+1找出最接近的脉冲长度y_r，且y_r＜L/2，因此图3中步进电机运行过程中实际能够达到的最大速度为v₁,v₂,···,v_n+1中的v_r，此时基准距离为：

Y_a＝y_r，Y_b＝L-y_r (7)。

F3机头步进电机以t为规划周期，依照速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)进行加速运动，由于步进电机的机械特性使得其在低速阶段能够承受的突变速度很大，因此其加速度值b如图3所示，从Δv_max减小到b_m(b_m≈Δv_min)，使得机头的运动从起步开始呈现减加速度的状态，实现机头的快速起步且保证其在运行过程中不会因过载而丢步，当加速度值b＝b_m时间，机头运行进入匀加速度的状态，确保步进电机在高速时的持续加速与稳定运行。

当机头步进电机当前位置等于基准距离Y_A时，如步骤F4、F5运行状态进入匀速阶段，步进电机此时速度为整个行程中的最大速度；当机头步进电机当前位置等于基准距离Y_b时，如步骤F6、F7运行状态进入减速状态，此时步进电机依照速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)从最大速度以t为规划周期进行减速，其减速曲线如图3所示与加速曲线完全对称，实现速度和脉冲长度的精确控制；F8当机头步进电机当前位置等于目标位置时，F9步进电机停止运行，机头结束此次运行。

本发明提出的一种手套机机头运行的速度控制方法，提前规划好速度表、脉冲步长表采用直接从控制器的存储单元加载出的方式，避免边解析边处理数据从而大大减少处理数据的时间，避免脉冲发送过程中定时器中断因大量计算而产生的冲突问题，极大程度上提高了机头运行的速度，当机头开始以稳定速度运行时系统会按照固定时间发送脉冲，同时使步进电机在高速阶段以最小突变速度进行匀加速运动，保证了步进电机的持续加速和稳定运行。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，包括：

检测机头在进行往复运动时，步进电机能允许的最大变化速度与最小变化速度；

在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表；

根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表；

将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线。

2.根据权利要求1所述的步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述在机头运行允许的最大变化速度内，根据S型曲线加减速控制算法，得出加速度表，包括：

令加速度表中的首个加速度b₁等于最大突变速度Δv_max，再根据S型曲线加减速控制算法依次递减得出b₁～b_m的值，m<n；

为使机头步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_y，令b_m＝b_m+1＝···＝b_n，即电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升，加速度表(b₁,b₂,···,b_n)具体计算公式如下：

b_i＝b₁·(1+cosθ_i)(b_i＞Δv_min)

其中b₁＝Δv_max，i是大于0的整数，b_i表示第i个规划周期的加速度值，当i满足b_i＜＝V_min＜b_i-1时，令m＝i，即此时b_i＝b_m，因此可得b_m～b_n的计算公式为：

b_m＝b_m+1＝···＝b_n。

3.根据权利要求1所述的步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述根据预设的步进电机的开始转动速度和规划周期，结合加速度表，获取对应的步进电机速度和脉冲步长表，包括：

步进电机以v_min为起始速度，再根据加速度表(b₁,b₂,···,b_n)依次递增得出速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其计算公式如下：

v_n＝v_n-1+b₁·(1+cosθ_n-1)

其中v₁＝v_min、首个加速度值b₁等于最大突变速度Δv_max，v_m表示当加速度为b_n-1时步进电机所要达到的速度，结合规划周期可得出脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)的计算公式：

y_n＝v_n·t+y_n-1 (5)

其中y₁＝v₁·t，y_n表示步进电机以初速度v_min为起步速度，t为规划的周期，每经过一个规划周期t按照加速度表(b₁,b₂,···,b_n)进行一次提速当速度提升到v_n时其所运行的脉冲长度。

4.根据权利要求1所述的步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述将机头运动的目标位置、目标速度与速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，规划出步进电机加减速曲线，包括：

将步进电机速度划分为加速、匀速、减速三段对称的速度曲线，根据加速、匀速、减速阶段加速度变化特性将加速度表分成加速阶段加速度逐渐减小阶段，匀速阶段加速度为零阶段、减速阶段加速度反向增大阶段，在加速阶段机头以v_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期t就按照速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一规划周期的速度值，减速速度曲线与加速阶段反向对称，规划方式相同，在达到目标位置前步进电机最大速度不超过目标速度时，调整步进电机达到目标位置前的最大速度接近目标速度，当速度达到目标速度V_y或运动步长达到L/2时，运行状态进入匀速阶段，其中L为目标位置。

5.根据权利要求1所述的步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，还包括：

读取速度表和脉冲步长表；

结合目标速度以及目标位置，从速度表内找出最接近目标速度的速度值与对应的脉冲步长表中的值，计算出第一基准距离和第二基准距离；

步进电机按照规划周期，依照速度表进行加速运动；

当步进电机当前位置等于第一基准距离时，步进电机进入匀速阶段，步进电机此时速度为整个行程中的最大速度；

当机头步进电机当前位置等于第二基准距离时，步进电机进入减速状态，此时步进电机依照速度表从最大速度按照规划周期进行减速；

当步进电机当前位置等于目标位置时，步进电机停止运行。

6.根据权利要求5所述的步进电机驱动机头的自适应速度控制方法，其特征在于，所述结合目标速度以及目标位置，从速度表内找出最接近目标速度的速度值与对应的脉冲步长表中的值，计算出第一基准距离和第二基准距离，包括：

从速度表内找出最接近目标速度V_y的速度值v_q且v_q＜＝V_y，v_q的下标q对应脉冲步长表中的值为y_q，即步进电机速度达到v_q时其已运动的行程为y_q，分为两种情况：

如果行程步进电机运行实际能够达到的最大速度为v_q，此时的基准距离为：

Y_a＝y_q，Y_b＝L-y_q；

如果行程从脉冲步长表(y₁,y₂,···,y_n+1)中找出最接近的脉冲长度y_r，且y_r＜L/2，步进电机运行过程中实际能够达到的最大速度为速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)中的v_r，此时基准距离为：

Y_a＝y_r，Y_b＝L-y_r；

其中，目标速度为V_y，目标位置为L，第一基准距离为Y_a，第二基准距离为Y_b。