CN110460274B - 一种步进电机梯形调速控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进电机梯形调速控制算法，包括：S1：根据梯形加减速控制算法构建步进电机的加减速模型，计算步进电机加速到最大速度所需步数X和步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y；S2：根据参数X和参数Y的大小关系对步进电机的加减速模型包含的情况进行分析；S3：对步进电机各模型调速算法的不同阶段进行分析。本发明只需要比较参数X和参数Y的大小就可以选择不同的算法，控制简单，易于实现；其次其整个算法仅引入了步进电机各相关变量，优化了原来的五个参数控制算法，降低了控制算法误差，提高了控制算法的稳定性；并且整个控制算法的参数表达式只有加减乘除这些基本的运算，使控制系统计算效率高。

Description

一种步进电机梯形调速控制算法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地，涉及一种步进电机梯形调速控制算法。

背景技术

步进电机因为其独特的特性不需要反馈装置就可以对电机的位置和速度进行控制，所以在工业自动化设备中的应用非常广泛，然而在步进电机的运动控制中，其速度变化较大，并且加减速较为频繁，最重要的是控制系统工作的最高运行速度往往都要远高于步进电机的最高启动速度，如果步进电机以工作时的最高运行速度直接启动，因为该工作速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转，系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，步进电机容易发生过冲，产生运行误差。因此在速度变化较大的步进电机控制系统中，防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键，故而大家研究出了各种各样的调速算法，大致可分为梯形算法和S型曲线算法，不论哪种算法其原理都是启停过程要有速度由慢变快，再由快变慢的变化过程。

S形曲线算法就是在梯形算法的基础上进行再算法，把直线加减速段分为若干小段，逐一进行读取控制，其具有较高的稳定，不易损坏电机等优点，但其算法非常复杂，计算困难，对于控制系统的处理数据能力有一定要求，一般难于实现。梯形算法是直线段加减速，有较好的平稳性，能满足速度变化较大的快速定位场合中。同时其算法易于实现，控制简单，计算效率高。因此步进电机控制系统大多选用梯形加减速控制算法对各步进电机进行运动控制。

在申请号为201811536519.6，名为《一种步进电机的直线段梯形加减速控制算法》的发明专利中，其利用Sa+Sd与S的大小关系判断梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态：

当Sa+Sd<S时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是加速到最大速度，然后以最大速度匀速运行，最后从最大速度减速停止；其中Sa为步进电机加速段位移量；Sd：步进电机减速段位移量。

当Sa+Sd＝S时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是加速到最大速度，然后立即从最大速度减速至零，没有匀速过程。

当Sa+Sd>S时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是加速到一个小于最大速度的速度，然后从这个速度减速停止。

然后该发明通过比较L与

的大小关系，判定步进电机运行的阶段：

当

时；步进电机处于加速运行阶段；

当

时，步进电机处于匀速运行阶段；

当

时，步进电机处于减速运行阶段。

其中，L为步进电机当前位移量，v_max为步进电机运行时的最大速度；a为步进电机的加速度。

上述发明相比S形曲线算法确实比较精简，计算效率高，控制简单，易于实现，但是其也有两个缺陷，首先其只处理了Sa+Sd<S情况下的步进电机运行阶段判断，而在实际控制过程中，Sa+Sd<S的情况也很常见，其发明并没有对此种情况下，步进电机如何判断步进电机运行的阶段；其次在只讨论Sa+Sd<S一种情况下，其引入了Sa、Sd、L、

五个变量，在控制算法中，引入的变量越少，产生误差的几率就越小，五个变量还是有改进的空间的。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的已有梯形算法处理情况单一、不全面、引入参数多的缺陷缺陷，提供一种步进电机梯形调速控制算法。

所述算法包括以下步骤：

S1：根据梯形加减速控制算法构建步进电机的加减速模型，计算步进电机加速到最大速度所需步数X和步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y；

S2：根据参数X和参数Y的大小关系对步进电机的加减速模型包含的情况进行分析；

S3：依据步进电机当前工作到的步数L与步进电机加速到最大速度所需步数X、步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y、步进电机开始减速时的步数Z之间的大小关系，对步进电机各模型调速算法的不同阶段进行分析。

优选地，S1中步进电机加速到最大速度所需步数X的计算公式为：

其中，a为控制系统给入的加速度，v为目标速度。

优选地，S1中加减速交线处加速阶段需要的步数Y的计算公式为：

其中，a为控制系统给入的加速度，d为减速度。

优选地，S2包括：

(1)当X<Y时；步进电机的运行状态包括加速、匀速、减速三种状态，步进电机加速阶段的状态是从初始速度0加速到目标速度v，步进电机匀速阶段的状态是以目标速度v匀速运行，步进电机减速阶段的状态是从目标速度v减速至0停止，此时

其中s为步进电机工作步数。

(2)当X＝Y时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到目标速度v，然后立即从目标速度v减速至0停止，此时

(3)当X>Y时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，然后从这个速度v₁减速至0停止，此时

其中，最大速度v₁，在X<Y和X＝Y两种情况中，电机可以加速到目标速度，所以最大速度就是目标速度；在这种情况下，电机无法加速到目标速度，所以最大速度是处于零到目标速度之间的值，这个值的大小由步进电机加减速模型中系统输入的位移参数决定。

优选地，S3包括：

(1)当步进电机在X<Y的运行状态下时：

当L<Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当X<L<Z时，即

时；步进电机处于匀速运行阶段，此时步进电机以目标速度v匀速运行；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止。

(2)当步进电机在X＝Y的运行状态下时：

当L<＝X时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止。

因为L＝X只有一瞬间，所以步进电机无匀速运行过程，刚刚以加速度a加速到目标速度v，就开始以减速度d开始减速，整个过程只有加速过程和减速过程，只是加速过程的终点恰恰是设定的目标速度v。

(3)当步进电机在X>Y的运行状态下时：

当L<＝Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率往上递增，但是其递增不到设定的目标速度v，只能递增至一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，当递增至速度v₁时，步进电机加速阶段结束；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机开始从加速阶段结束时的末速度v₁开始以减速度d的速率递减至零后停止。

本发明克服了S形曲线算法控制复杂、计算困难、难于实现的缺点，优化已有梯形算法处理情况单一、不全面、引入参数多的缺陷，解决步进电机在实际应用中因控制速度过高而容易丢步或堵转的难题，采用控制简单、计算效率高、易于在实际应用中实现的步进电机梯形调速算法，达到控制步进电机在高速下仍能平稳准确运行。

本发明根据实际情况对所述步进电机梯形调速控制算法进行介绍，采用步进电机梯形调速控制算法构建步进电机的加减速模型，已知一控制系统加速度，减速度，目标速度，步进电机工作步数，对其算法进行进行应用。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明只需要比较参数X和参数Y的大小就可以选择不同的算法，控制简单，易于实现；其次其整个算法仅引入了X、Y、Z、L四个变量，优化了原来的五个参数控制算法，降低了控制算法误差，提高了控制算法的稳定性；并且整个控制算法的参数表达式只有加减乘除这些基本的运算，使控制系统计算效率高。

附图说明

图1为当X<Y时步进电机的速度状态图。

图2为当X＝Y时步进电机的速度状态图。

图3为当X>Y时步进电机的速度状态图。

图4为当一种步进电机梯形调速控制算法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本实施例提供一种步进电机梯形调速控制算法，如图4所示，所述算法包括以下步骤：

S1：根据梯形加减速控制算法构建步进电机的加减速模型，计算步进电机加速到最大速度所需步数X和步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y；

S2：根据参数X和参数Y的大小关系对步进电机的加减速模型包含的情况进行分析；

S3：依据步进电机当前工作到的步数L与步进电机加速到最大速度所需步数X、步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y、步进电机开始减速时的步数Z之间的大小关系，对步进电机各模型调速算法的不同阶段进行分析。

S1中步进电机加速到最大速度所需步数X的计算公式为：

其中，a为控制系统给入的加速度，v为目标速度。

S1中加减速交线处加速阶段需要的步数Y的计算公式为：

其中，d为减速度。

S2包括：

(1)当X<Y时；步进电机的运行状态包括加速、匀速、减速三种状态，步进电机加速阶段的状态是从初始速度0加速到目标速度v，步进电机匀速阶段的状态是以目标速度v匀速运行，步进电机减速阶段的状态是从目标速度v减速至0停止，如图1所示，此时

(2)当X＝Y时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到目标速度v，然后立即从目标速度v减速至0停止，如图2所示，此时

(3)当X>Y时；梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，然后从这个速度v₁减速至0停止，如图3所示，此时

S3包括：

(1)当步进电机在X<Y的运行状态下时：

当L<Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当X<L<Z时，即

时；步进电机处于匀速运行阶段，此时步进电机以目标速度v匀速运行；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止。

(2)当步进电机在X＝Y的运行状态下时：

当L<＝X时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止。

因为L＝X只有一瞬间，所以步进电机无匀速运行过程，刚刚以加速度a加速到目标速度v，就开始以减速度d开始减速，整个过程只有加速过程和减速过程，只是加速过程的终点恰恰是设定的目标速度v。

(3)当步进电机在X>Y的运行状态下时：

当L<＝Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率往上递增，但是其递增不到设定的目标速度v，只能递增至一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，当递增至速度v₁时，步进电机加速阶段结束；

当Z<L<s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机开始从加速阶段结束时的末速度v₁开始以减速度d的速率递减至零后停止。

此外，对于图4中的L＝L+1为不论算法处于加速、匀速、减速中的哪个阶段，每执行一次，电机就会走一步，这是步进电机的固有属性。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种步进电机梯形调速控制算法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：

S1：根据梯形加减速控制算法构建步进电机的加减速模型，计算步进电机加速到最大速度所需步数X和步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y；

S2：根据参数X和参数Y的大小关系对步进电机的加减速模型包含的情况进行分析；

S3：依据步进电机当前工作到的步数L与步进电机加速到最大速度所需步数X、步进电机加减速交线处加速阶段需要的步数Y、步进电机开始减速时的步数Z之间的大小关系，对步进电机各模型调速算法的不同阶段进行分析；

S2包括：

(1)当X＜Y时；此时步进电机的调速模型包括加速、匀速、减速三种阶段，步进电机加速阶段的状态是从初始速度0加速到目标速度v，步进电机匀速阶段的状态是以目标速度v匀速运行，步进电机减速阶段的状态是从目标速度v减速至0停止，此时

其中s为步进电机工作步数；

(2)当X＝Y时；此时步进电机的调速模型包括加速、减速二种阶段，梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到目标速度v，然后立即从目标速度v减速至0停止，此时

(3)当X＞Y时；此时步进电机的调速模型包括加速、减速二种阶段，梯型加减速控制算法中步进电机运行的状态变化是从0加速到一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，然后从这个速度v₁减速至0停止，此时

其中，a为控制系统给入的加速度，d为减速度。

2.根据权利要求1所述的步进电机梯形调速控制算法，其特征在于，S1中步进电机加速到最大速度所需步数X的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的步进电机梯形调速控制算法，其特征在于，S1中加减速交线处加速阶段需要的步数Y的计算公式为：

其中，a为控制系统给入的加速度，s为步进电机工作步数。

4.根据权利要求1所述的步进电机梯形调速控制算法，其特征在于，S3包括：

(1)当步进电机在X＜Y的运行状态下时：

当L＜Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当X＜L＜Z时，即

时；步进电机处于匀速运行阶段，此时步进电机以目标速度v匀速运行；

当Z＜L＜s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止；

(2)当步进电机在X＝Y的运行状态下时：

当L＜＝X时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率向上递增，直至到达设定的目标速度v；

当Z＜L＜s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机的速度正以减速度d的速率从目标速度v向下递减至零后停止；

(3)当步进电机在X＞Y的运行状态下时：

当L＜＝Y时，即

时；步进电机处于加速运行阶段，此时步进电机的速度以加速度a的速率往上递增，但是其递增不到设定的目标速度v，只能递增至一个小于目标速度v且大于零的最大速度v₁，当递增至速度v₁时，步进电机加速阶段结束；

当Z＜L＜s时，即

时；步进电机处于减速运行阶段，此时步进电机开始从加速阶段结束时的末速度v₁开始以减速度d的速率递减至零后停止。

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