CN110601617B - 步进电机控制方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents

步进电机控制方法、装置、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机驱动技术领域，公开了一种步进电机控制方法、装置、系统及存储介质，所述方法包括：提供一种正弦S曲线加速算法，根据目标位移和目标速度由所述算法计算和规划步进电机在运动过程中的的速度方程，根据所述速度方程，由驱动器内置的高性能处理器及驱动模块控制所述步进电机运转，由于其速度方程的二阶导数为正弦函数，即加速度、加加速度方程均连续可导，不存在突变，较好地符合了步进电机力矩随速度升高而减小的特点，充分利用了电机的有效转矩，同时能够减弱机械冲击，使得步进电机运行更加平稳可靠。

Description

步进电机控制方法、装置、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种步进电机控制方法、装置、系统及存储介质。
背景技术
步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或者角位移的机电执行元件，是现代数字程序控制系统中的主要执行单元，应用极为广泛，但步进电机不能像普通直流电机、交流电机那样在常规下使用，它必须由双环脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，而现有的两相步进电机驱动系统存在体积较大、精度较低、能耗较大、成本较高等问题。
步进电机有一个空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，因此在实际应用中，如果启动脉冲频率高于该值，电机可能发生失步或堵转，从而不能正常启动。解决这些问题的关键在于电机启动时的速度控制，现有技术中一般采取加速曲线算法来对速度进行控制，所述加速曲线算法一般有直线型、抛物线型，其中，直线型加速曲线具有时间最优和运算简单等特性，但这种加速模式没有考虑进步电机力矩变化的特点。同时由于在加速开始和加速完成时，加速度存在突变，将会产生机械冲击诱发振动，对系统的平稳运行带来不利影响。
所以，存在着如何使步进电机运行更加平稳以满足更高的应用场合需求的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种步进电机控制方法、装置、系统及存储介质，旨在解决如何使步进电机运行更加平稳以满足更高的应用场合需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种步进电机控制方法，所述步进电机控制方法包括以下步骤：
接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
优选地，所述根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间；
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
优选地，所述根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；
根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
优选地，所述根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度，具体包括：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算所述加加速阶段的第一最大速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述匀加速阶段的第二最大速度。
优选地，所述根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻；
根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
优选地，所述根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻，具体包括：
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻；
根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻。
优选地，所述根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量；
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种步进电机控制装置，所述步进电机控制装置包括：
数据通讯模块，用于接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
速度计算模块，用于根据所述目标位移和所述目标速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
电机控制模块，用于根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种步进电机控制设备，所述步进电机控制设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的步进电机控制程序，所述步进电机控制程序配置有实现如上所述的步进电机控制方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有步进电机控制程序，所述步进电机控制程序被处理器执行时实现如上文所述的步进电机控制方法的步骤。
本发明提出的步进电机控制方法，通过接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度，根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转，从而通过获取的目标位移和目标速度计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机运转，使步进电机运转更加平稳，解决了如何使步进电机平稳运行的技术问题。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的步进电机控制系统结构示意图；
图2为本发明步进电机控制方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明步进电机控制方法第一实施例的示例图；
图4为本发明步进电机控制方法第二实施例的流程示意图；
图5为本发明步进电机控制方法第三实施例的流程示意图；
图6为本发明步进电机控制装置第一实施例的功能模块示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的步进电机控制系统结构示意图。
如图1所示，该步进电机控制系统可以包括：控制模块1001，驱动模块1002，步进电机1003，上位机1004，数据存储模块1005，电源模块1006，通信模块1007。
所述控制模块，以32位高性能嵌入式处理器为控制核心，其固件内置正弦速度曲线算法，实现电机加减速的平稳可靠；采用处理器的片上SPI外设与电机驱动芯片的通讯，实现对驱动芯片的寄存器读写，从而达到配置驱动芯片参数的目的；使用处理器的片上IIC外设与存储芯片AT24C16C通讯，实现参数数据的掉电可保存。
所述电源模块，通过电源芯片AOZ1282CI，将外部输入的24V电压转换成3.3V，可以给控制模块、驱动模块、通信模块和数据存储模块供电。
所述数据存储模块，通过外置存储芯片AT24C16C，将驱动器的参数如细分、电流、S曲线加速步数、目标速度、驱动器CAN.ID等保存，使得这些重要参数掉电不丢失,从而驱动器重新上电后可正常使用，不必重设参数。
所述通信模块，通过高性能嵌入式处理器的片上CAN外设,并配合CAN收发芯片SN65HVD230，便可实现CAN通讯；可以通过此通讯接口接收控制卡或PLC的控制命令、数据，也可以接收来自上位机发送的命令、数据，实现驱动器的控制功能以及参数的读写。
所述驱动模块，采用高性能步进驱动芯片TMC2660，通过所述主控芯片的IO口控制驱动芯片的方向、脉冲接口，实现电机的方向和速度控制，通过主控芯片的SPI外设实现对驱动芯片的参数的读写。
进一步地，所述电源模块包括分压电路，电源接口电压经过此分压电路接到所述高性能主控芯片的AD外设接口，从而主控芯片可以读取当前电压值，所述主控芯片内置电源管理机制，当外部接入电压过低或者过高时，驱动器会抛出相应报警信息。
进一步地，所述通信模块为CAN总线通讯，采用高性能主控芯片的CAN外设，配合外置CAN收发芯片SN65HVD230，可实现最高1Mbps的通讯速率；并且所述主控芯片的固件内置通讯的超时重传、心跳监测等机制，使得CAN通讯更加可靠稳定。
进一步地，所述正弦加速曲线，其加加速度为正弦函数，可连续求导，而梯形、抛物线形加速曲线其加加速度为阶跃函数，存在阶跃变换，使得电机速度变化不够平稳，而正弦曲线可以避免此问题，正弦曲线较好地符合了步进电机力矩随速度升高而减小的特点，充分利用了电机的有效转矩，同时能够减弱机械冲击。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的设备结构并不构成对步进电机控制系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种存储介质的数据存储模块1005中可以包括操作系统、通信模块、用户接口模块、驱动器的参数以及步进电机控制程序。
在图1所示的步进电机控制设备中，通信模块1007主要用于连接上位机或控制卡，接收控制命令或数据；本发明通过控制模块1001调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，并执行以下操作：
接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间；
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；
根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算所述加加速阶段的第一最大速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述匀加速阶段的第二最大速度。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻；
根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻；
根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻。
进一步地，控制模块1001可以调用数据存储模块1005中存储的步进电机控制程序，还执行以下操作：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量；
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
本实施例中通过接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度，根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转，从而通过获取的目标位移和目标速度计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机运转，使步进电机运转更加平稳，解决了如何使步进电机平稳运行的技术问题。
基于上述硬件结构，提出本发明步进电机控制方法实施例。
参照图2，图2为本发明步进电机控制方法第一实施例的流程示意图。
在第一实施例中，所述步进电机控制方法包括以下步骤：
步骤S10，接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度。
需要说明的是，本实施例的执行主体可为步进电机控制系统的控制模块，还可为其他可实现相同或相似功能的设备，本实施例对此不作限制，本实施例以控制模块为例进行说明。
应当理解的是，用户输入目标位移和目标速度，目标位移和目标速度是用户根据需求设定的两个数值，所述目标速度为步进电机在运行阶段达到的最大速度，对于目标位移和目标速度的数值范围本实施例对此不作限制。
步骤S20，根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
需要说明的是，步进电机控制系统的的控制模块以高性能嵌入式处理器为控制核心，其固件内置预设正弦S曲线加速算法，实现电机加减速的平稳可靠，采用处理器的片上SPI外设与电机驱动芯片的通讯，实现对驱动芯片的寄存器读写，从而达到配置驱动芯片参数的目的，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，所述预设正弦S曲线加速算法，其加加速度为正弦函数，可连续求导，而梯形、抛物线形加速曲线其加加速度为阶跃函数，存在阶跃变换，使得电机速度变化不够平稳，而正弦曲线可以避免此问题，正弦曲线较好地符合了步进电机力矩随速度升高而减小的特点，充分利用了电机的有效转矩，同时能够减弱机械冲击。
可以理解的是，在获取到的目标位移和目标速度之后，步进电机控制设备通过其内置的预设正弦S曲线加速算法对目标位移和目标速度进行计算，得到步进电机的运行阶段的时刻速度，所述时刻速度为每一时刻的运行速度。
应当理解的是，步进电机的运行阶段包括加速阶段和匀速阶段，加速阶段包括加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段，所述加加速阶段为加速度在不断增加的阶段，所述匀加速阶段为加速度不变的阶段，所述减加速阶段为加速度在不断减少的阶段。
可以理解的是，在本实施例中步进电机的运行阶段的顺序为加加速阶段、匀加速阶段、减加速阶段和匀速阶段，即步进电机开始运行时不断加速，在达到最大速度时(减加速阶段的最大速度)，不再继续加速，而是保持最大速度匀速运行。步进电机的速度变化如图3所示，t0至t1段为加加速阶段，t1至t2段为匀加速阶段，t2至t3为减加速阶段，t3之后为匀速阶段。
步骤S30，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
需要说明的是，现有技术中的步进电机的加速阶段并不稳定，而本实施例中将加速阶段分为加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段，通过预设正弦S曲线加速算法计算出时刻速度，并根据时刻速度控制步进电机运转，以使步进电机的速度按照最佳速度进行提升，以保持其稳定性。
本实施例中通过接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度，根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转，从而通过获取的目标位移和目标速度计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机运转，使步进电机运转更加平稳，解决了如何使步进电机平稳运行的技术问题。
在一实施例中，如图4所示，基于第一实施例提出本发明步进电机控制方法第二实施例，所述步骤S20，包括：
步骤S201，根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间。
需要说明是，可根据以下公式计算加加速阶段的加加速度，根据该公式可以精准计算加加速度。
Figure BDA0002188523430000101
其中，JP为加加速阶段的加加速度，VP为目标速度，SP为目标位移。
可根据以下公式计算加加速阶段的加加速时间，根据该公式可以精准计算加加速时间。
Figure BDA0002188523430000102
其中，tJ为加加速阶段的加加速时间，VP为目标速度，SP为目标位移。
步骤S202，根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间。
需要说明的是，将匀加速时间记为tC，在本算法中设置tJ＝tC，即加加时间与匀加速时间相同，所述匀加速时间为匀加速阶段的运行时间，即使加加速阶段和匀加速阶段的运行时间相同。
步骤S203，根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
可以理解的是，本实施例通过上述步骤计算得出了加加速时间tJ、加加速度JP、匀加速时间tC，而目标速度VP和目标位移SP为已知量，因此，可根据目标速度VP、目标位移SP、加加速时间tJ、加加速度JP和匀加速时间tC来计算步进电机的运行阶段的时刻速度。
本实施例中通过根据目标位移和目标速度计算加加速阶段的加加速度和加加速时间，根据加加速时间确定匀加速阶段的匀加速时间，从而根据计算得到的目标速度、加加速度、加加速度时间、匀加速时间以及目标位移、目标速度来计算步进电机的运行阶段的时刻速度。
在一实施例中，如图5所示，基于第一实施例或第二实施例提出本发明步进电机控制方法第三实施例，在本实施例中，基于第二实施例进行说明，所述步骤S203，包括：
步骤S2031，根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度。
需要说明是的，根据加加速度和加加速时间计算加加速阶段的第一最大速度，根据加加速度、加加速时间和匀加速时间计算匀加速阶段的第二最大速度，所述第一最大速度为加加速阶段的最大速度，所述第二最大速度为匀加速阶段的最大速度。
应当理解的是，根据加加速度和加加速时间计算加加速阶段的第一最大速度的公式如下，根据该公式可以精准计算第一最大速度。
Figure BDA0002188523430000111
其中，V1为加加速阶段的第一最大速度，tJ为加加速时间，JP为加加速度。
根据加加速度、加加速时间和匀加速时间计算匀加速阶段的第二最大速度的公式如下，根据该公式可以精准计算第二最大速度。
Figure BDA0002188523430000112
其中，V2为匀加速阶段的第二最大速度，tJ为加加速时间，JP为加加速度。
步骤S2032，根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度。
应当理解的是，根据加加速度和加加速时间计算最大加速度的公式如下，根据该公式可以精准计算最大加速度。
Figure BDA0002188523430000113
其中，aP为最大加速度，tJ为加加速时间，JP为加加速度。
步骤S2033，根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
需要说明的是，根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻，根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻，根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量，根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量，根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算时刻速度。
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻，可以理解的是，初始时间为0，加加速时间已由上述步骤计算得出，而加加速阶段为运行阶段的第一阶段，后面紧接着匀加速阶段，因此，根据加加速时间便可得出匀加速阶段开始时的第一运行时刻，将第一运行时刻记为t1，例如，加加速时间为2S，那么就是说加加速阶段持续了2S后再转为匀加速阶段，即匀加速阶段与第2S开始，即第一运行时刻为第2S。
根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻，可以理解的是，如图3所示，第一运行时刻和匀加速时间已由上述步骤计算得出，匀加速阶段为第二阶段，减加速阶段为第三阶段，因此，根据第一运行时刻和匀加速时间可得出减加速阶段开始时的第二运行时刻，将第二运行时刻记为t2，例如，加加速时间为2S，匀加速时间与加加速时间相同也为2S，因此，第一运行时刻为第2S，第二运行时刻为第4S。
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量的公式如下，根据该公式可以精准计算第一积分常量。
Figure BDA0002188523430000121
其中，C0为第一积分常量，tJ为加加速时间，JP为加加速度。
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量的公式如下，根据该公式可以精准计算第二积分常量。
C1＝V2-C0；
其中，C1为第二积分常量，C0为第一积分常量，V2为第二最大速度。
需要说明的是，本算法中还包括加速过程中的加加速度方程，如下，根据该方程可以精准计算加加速度。
Figure BDA0002188523430000131
其中，tJ为加加速时间，JP为加加速度，t1为第一运行时刻，t2为第二运行时刻，t3为第三运行时刻，所述第三运行时刻为减加速阶段结束时的时刻，t为当前时刻。
进一步地，还包括加速过程中的加速度方程，如下，根据该方程可以精准计算加速度。
Figure BDA0002188523430000132
其中，tJ为加加速时间，JP为加加速度，t1为第一运行时刻，t2为第二运行时刻，t3为第三运行时刻，aP为最大加速度，t为当前时刻。
进一步地，还包括加速过程的速度方程，如下，根据该方程可以精准计算速度。
Figure BDA0002188523430000133
其中，tJ为加加速时间，JP为加加速度，t1为第一运行时刻，t2为第二运行时刻，t3为第三运行时刻，aP为最大加速度，t为当前时刻，V1为第一最大速度，C0为第一积分常量，C1为第二积分常量。
因此，将根据上述步骤得出的所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量，根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量代入加速过程的速度方程，便可以计算出时刻速度，即步进电机每一时刻应该保持的速度，根据时刻速度控制步进电机的运转即可使步进电机运行的更平稳。
可以理解的是，步进电机的运行阶段还包括减速阶段，加速阶段与减速阶段的过程对称，相应的减速阶段与加速阶段对应，也可通过所述速度方程计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机的减速运转，使步进电机运行的更平稳。
本实施例中通过根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度，从而将上述步骤计算出的这些数值代入速度方程计算得出时刻速度，根据时刻速度控制步进电机的运转，使步进电机运行的更平稳。
此外，本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有步进电机控制程序，所述步进电机控制程序被处理器执行时实现如下操作：
接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度，具体包括：
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间；
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；
根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算所述加加速阶段的第一最大速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述匀加速阶段的第二最大速度。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻；
根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻；
根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻。
进一步地，所述步进电机控制程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量；
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算时刻速度。
本实施例中通过接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转，从而通过获取的目标位移和目标速度计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机运转，使步进电机运转更加平稳，解决了如何使步进电机平稳运行的技术问题。
此外，参照图6，本发明实施例还提出一种步进电机控制装置，所述步进电机控制装置包括：
数据通讯模块10，用于接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
需要说明的是，本实施例的执行主体可为步进电机控制系统的控制模块，还可为其他可实现相同或相似功能的设备，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，用户输入目标位移和目标速度，目标位移和目标速度是用户根据需求设定的两个数值，所述目标速度为步进电机在运行阶段达到的最大速度，对于目标位移和目标速度的数值范围本实施例对此不作限制。
速度计算模块20，用于根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
需要说明的是，步进电机控制系统的的控制模块以高性能嵌入式处理器为控制核心，其固件内置预设正弦S曲线加速算法，实现电机加减速的平稳可靠，采用处理器的片上SPI外设与电机驱动芯片的通讯，实现对驱动芯片的寄存器读写，从而达到配置驱动芯片参数的目的，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，所述预设正弦S曲线加速算法，其加加速度为正弦函数，可连续求导，而梯形、抛物线形加速曲线其加加速度为阶跃函数，存在阶跃变换，使得电机速度变化不够平稳，而正弦曲线可以避免此问题，正弦曲线较好地符合了步进电机力矩随速度升高而减小的特点，充分利用了电机的有效转矩，同时能够减弱机械冲击。
可以理解的是，在获取到的目标位移和目标速度之后，步进电机控制设备通过其内置的预设正弦S曲线加速算法对目标位移和目标速度进行计算，得到步进电机的运行阶段的时刻速度，所述时刻速度为每一时刻的运行速度。
应当理解的是，步进电机的运行阶段包括加速阶段和匀速阶段，加速阶段包括加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段，所述加加速阶段为加速度在不断增加的阶段，所述匀加速阶段为加速度不变的阶段，所述减加速阶段为加速度在不断减少的阶段。
可以理解的是，在本实施例中步进电机的运行阶段的顺序为加加速阶段、匀加速阶段、减加速阶段和匀速阶段，即步进电机开始运行时不断加速，在达到最大速度时(减加速阶段的最大速度)，不再继续加速，而是保持最大速度匀速运行。步进电机的速度变化如图3所示，t0至t1段为加加速阶段，t1至t2段为匀加速阶段，t2至t3为减加速阶段，t3之后为匀速阶段。
电机控制模块30，用于根据所述时刻速度控制所述步进电机运转。
需要说明的是，现有技术中的步进电机的加速阶段并不稳定，而本实施例中将加速阶段分为加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段，通过正弦速度曲线算法计算出时刻速度，并根据时刻速度控制步进电机运转，以使步进电机的速度按照最佳速度进行提升，以保持其稳定性。
本实施例中通过接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度，根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，根据所述时刻速度控制所述步进电机运转，从而通过获取的目标位移和目标速度计算时刻速度，根据时刻速度控制步进电机运转，使步进电机运转更加平稳，解决了如何使步进电机平稳运行的技术问题。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间；根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述加加速度和所述加加速时间计算所述加加速阶段的第一最大速度；根据所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述匀加速阶段的第二最大速度。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻；根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机的运行阶段的时刻速度。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻；根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻。
在一实施例中，所述速度计算模块20，还用于根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量；根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量；根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算时刻速度。
在本发明所述步进电机控制装置的其他实施例或具体实现方法可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。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如上所述的一个计算机可读存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台智能步进电机控制设备(可以是手机，计算机，步进电机控制设备，空调器，或者网络步进电机控制设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种步进电机控制方法，其特征在于，所述步进电机控制包括以下步骤：
接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述时刻速度控制所述步进电机运转；
其中，所述运行阶段包括加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段；
根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间，所述加加速时间与所述匀加速时间相同；
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度的计算公式为：
Figure FDA0003129463500000011
其中，JP为加加速阶段的加加速度，VP为目标速度，SP为目标位移；
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速时间的计算公式为：
Figure FDA0003129463500000012
其中，tJ为加加速阶段的加加速时间，VP为目标速度，SP为目标位移。
2.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度；
根据所述加加速度和所述加加速时间计算最大加速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
3.如权利要求2所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间分别计算所述加加速阶段的第一最大速度和所述匀加速阶段的第二最大速度，具体包括：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算所述加加速阶段的第一最大速度；
根据所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述匀加速阶段的第二最大速度。
4.如权利要求2所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述根据所述加加速度、所述加加速时间、所述匀加速时间、所述第一最大速度、所述第二最大速度和所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述加加速度时间、第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻；
根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度。
5.如权利要求4所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述根据所述加加速度时间、所述第一运行时间和所述匀加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻和所述减加速阶段开始时的第二运行时刻，具体包括：
根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段开始时的第一运行时刻；
根据所述第一运行时刻和所述匀加速时间确定所述减加速阶段开始时的第二运行时刻。
6.如权利要求4所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述根据所述加加速度值、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第二最大速度所述最大加速度计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度，具体包括：
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量；
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量；
根据所述加加速度、所述加加速时间、所述第一运行时刻、所述第二运行时刻、所述第一最大速度、所述第一积分常量和所述第二积分常量计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述加加速度和所述加加速时间计算第一积分常量的计算公式为：
Figure FDA0003129463500000031
其中，C0为第一积分常量，tJ为加加速时间，JP为加加速度
根据所述第一积分常量和所述第二最大速度计算第二积分常量的计算公式为：
C1＝V2-C0；
其中，C1为第二积分常量，C0为第一积分常量，V2为第二最大速度。
7.一种步进电机控制装置，其特征在于，所述步进电机控制装置包括：
数据通讯模块，用于接收上位机的数据指令，所述数据指令包括目标位移和目标速度；
速度计算模块，用于根据所述目标位移和所述目标速度通过预设正弦S曲线加速算法计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
电机控制模块，用于根据所述时刻速度控制所述步进电机运转；
其中，所述运行阶段包括加加速阶段、匀加速阶段和减加速阶段；
所述电机控制模块，还用于根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度和加加速时间；根据所述加加速时间确定所述匀加速阶段的匀加速时间，所述加加速时间与所述匀加速时间相同；根据所述目标位移、所述目标速度、所述加加速度、所述加加速时间和所述匀加速时间计算所述步进电机在运行阶段各时刻的时刻速度；
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速度的计算公式为：
Figure FDA0003129463500000041
其中，JP为加加速阶段的加加速度，VP为目标速度，SP为目标位移；
根据所述目标位移和所述目标速度计算所述加加速阶段的加加速时间的计算公式为：
Figure FDA0003129463500000042
其中，tJ为加加速阶段的加加速时间，VP为目标速度，SP为目标位移。
8.一种步进电机控制系统，其特征在于，所述步进电机控制系统包括：控制模块、电源模块、数据存储模块、通信模块、驱动模块、上位机、步进电机及存储在所述数据存储模块上并可在所述控制模块运行的步进电机控制程序，所述步进电机控制程序配置为实现如权利要求1至6中任一项所述的步进电机控制方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有步进电机控制程序，所述存储介质上存储有步进电机控制程序，所述步进电机控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的步进电机控制方法的步骤。
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