CN111049455B - 步进电机控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种步进电机控制方法、装置、设备及存储介质。通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；再切换至闭环控制，在该阶段估计步进电机的转子位置和速度，并快速到达目标停止位置附近；根据角度和速度进行第二开环控制至目标停止位置。通过第一开环控制可使步进电机快速达到稳定状态后切换至闭环控制，可稳定准确估计步进电机的转子位置和速度，然后再由估计的步进电机的角度和速度通过第二开环控制对步进电机进行控制，并且通过理论计算整个步进电机控制过程的所用时间，指导步进电机的选择和机械负载的设计，实现无位置传感器的步进电机的控制，在最短时间内到达目标停止位置，解决步进电机失步现象，提高控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种步进电机控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在缝制设备中，步进电机常用于动框的控制，但是动框的动态过程很快，通常是十几个ms甚至是几个ms就要完成一次针制动作，动框步进电机控制精度优于0.5度。而对于步进电机在频繁的加减速启动和高速旋转的情况下容易造成失步，造成缝制设备的位置开环控制失效，为了弥补此缺点，可以在步进电机的轴端安装位置传感器(编码器)，来实时监测转子位置并且施加基于转子位置的矢量控制方法，可以获得比开环步进电机更好的动态特性，但是为此增加了传感器的成本，并且在实际使用中由于线缆、安装精度和电路复杂性的原因，导致控制系统的成本上升，同时系统硬件的可靠性有一定程度的下降。因此无位置传感器的步进电机控制系统成为研究的热点。
首先从国内外的研究现状看，无传感器的电机闭环控制方法主要集中在永磁伺服电机的无传感器控制(主要是速度值)和步进电机的反电势检测上(主要堵转检测类)。文献《New sliding-mode observer for position sensorless control of permanent-magnet synchronous motor》(IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,60(2):710-719)提出基于滑模观测器估算永磁同步电机位置和速度，可以有效降低系统抖振，提高电机转子的位置和速率精度估算精度。实际上混合式步进电机的磁密远高于永磁同步伺服电机，因此会获得较高信噪比的反电势信息，并且步进电机可以将电脉冲转化为角位移，从而在较低转速下仍可进行位置采样，适合于低速开环控制和高速闭环控制。而不像该文献应用在伺服电机或直流无刷电机，大都只能工作在高速速度模式下。在文献《Sensorless State Estimation in Two phase Stepper Motor using EKF and UKF》(International Journal of Application or Innovation in Engineering&Management)明确给出了利用扩展卡尔曼滤波和无损卡尔曼滤波来构造的观测器的内部设计细节，除了在电机启动阶段算法由于初始迭代计算还未收敛导致较大误差以外，在运行阶段整体精度还是具备比较好的符合性。但是卡尔曼滤波算法比较复杂，计算量比较大，在单片机占用比较多的运算时间。
文献《永磁同步电机无位置传感器混合控制策略》(中国电机工程学报,2012,32(24):103-109)在低速运行时注入脉振高频电压信号，通过对高频电流幅值处理获得转子位置误差信号，中高速运行则通过反电动势模型滑模观测器获得位置误差信息，对两种方法所得位置误差信号进行归一化处理，并根据运行转速对归一化后的位置误差信号以加权的方式进行信息融合。文献《基于自适应模糊滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统》(电工电能新技术,2006,25(2):1-3,51)提出一种自适应模糊滑模观测器来实现永磁同步电机无传感器控制。根据Lyapunov稳定性定理构建自适应模糊滑模观测器，以保证系统的稳定性。通过分析滑模增益对系统抖振的影响设计模糊控制系统，从而实现对滑模增益的动态调整，削弱抖振现象，提高系统的鲁棒性。
上述文献主要关注于基于无传感器技术的电机控制的稳态工作，比如在家电、压缩机等工况，目前的研究文献和技术实现并不把收敛性判断作为一个主要焦点在攻克，只是解决电机的启动问题，经过足够的时间过渡到稳态状态。但是缝制设备运动控制的高频点位小位移的要求必须在十几个ms就要完成，并且位置定位精度满足工况要求(一般步进电机定位精度优于0.5度)，缝制设备的上述工况性能要求就对角度观测器收敛时间和电流/位置控制器的控制时间及控制精度提出了更高的要求，就会影响无传感器技术在缝制设备的使用，因此缝制设备步进电机在缝制过程中如何在最短时间获得稳定收敛值及满足控制精度是一个将此无传感器技术工程化的重点工作。
发明内容
本发明提供一种步进电机控制方法、装置、设备及存储介质，以实现无位置传感器的步进电机的控制，提高控制精度。
本发明的第一方面是提供一种步进电机控制方法，包括：
通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；
将所述步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段估计所述步进电机的转子位置和速度；
根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。
本发明的第二方面是提供一种步进电机控制装置，包括：
第一控制模块，用于通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；
第二控制模块，用于将所述步进电机切换至闭环控制；
处理模块，用于在闭环控制阶段估计所述步进电机的转子位置和速度；
第三控制模块，用于根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。
本发明的第三方面是提供一种步进电机控制设备，包括：
存储器；以及
处理器；
其中，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
本发明的第四方面是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；
所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
本发明提供的步进电机控制方法、装置、设备及存储介质，通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；将步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段估计步进电机的转子位置和速度；根据步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。本方法通过对第一开环控制可以是步进电机快速将速度提升至稳定状态，计算得到第一开环控制所用时间，再切换至闭环控制，可以稳定准确的估计步进电机的转子位置和速度，以最快速度旋转到目标停止位置附近，计算得到闭环控制所用时间，然后再由估计的步进电机的角度和速度通过第二开环控制对步进电机进行控制，计算得到第二开环控制所用时间，进而理论计算步进电机整个过程的所用时间，实现无位置传感器的步进电机的控制，解决失步现象，提高控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的步进电机控制方法流程图；
图2为本发明另一实施例提供的步进电机控制过程图；
图3为本发明实施例提供的位置环传递函数框图；
图4为本发明实施例提供的步进电机控制原理图；
图5为本发明实施例提供的步进电机控制装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的步进电机控制设备的结构示意图。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。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。
图1为本发明实施例提供的步进电机控制方法流程图。本实施例提供了一种步进电机控制方法，应用于无位置传感器的步进电机，该方法具体步骤如下：
S101、通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度。
在本实施例中，利用开环控制实现步进电机从初始状态提升至预设速度，其中预设速度为角度观测模型能够稳定估计步进电机的转子位置和速度的状态对应的速度。如图2所示，本实施例中可以利用电机额定电流指令施加到电流环，按照规划的路径曲线在最短时间将速度提升至预设速度，其中具体的预设速度ω切可以为45rpm。
S102、将所述步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段估计所述步进电机的转子位置和速度。
在本实施例中，由于开环控制在步进电机高速运转过程中容易丢步，因此在步进电机速度达到预设速度后从开环控制切换到闭环控制，实现步进电机的高速运转，并在高速运转的过程中通过角度观测模型完成对步进电机的转子位置和速度的估计。也即如图2所示，闭环控制阶段速度高于开环控制阶段的速度，可实现快速旋转到目标停止位置附近。
S103、根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。
在本实施例中，在闭环控制阶段已经估计了步进电机的转子位置和速度后，需要根据步进电机的角度和速度控制步进电机运动到目标停止位置，由于闭环控制在低速时对步进电机的控制精度较差，因此切换到开环控制，以实现根据步进电机的角度和速度控制步进电机达到目标停止位置。具体的，可将步进电机的额定电流指令施加到电流环，让步进电机按照另一规划的路径曲线，在最短时间内运动到目标位置。其中切换速度可以等于所述预设速度。
本实施例提供的步进电机控制方法，通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；将步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段估计步进电机的转子位置和速度；根据步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。本实施例的方法，通过对第一开环控制可以是步进电机快速将速度提升至稳定状态，再切换至闭环控制，可以稳定准确的估计步进电机的转子位置和速度，然后再由估计的步进电机的角度和速度通过第二开环控制对步进电机进行控制，进而实现无位置传感器的步进电机的控制，提高控制精度。
在上述实施例的基础上，S102所述的在闭环控制阶段估计所述步进电机的转子位置和速度，具体可包括：
在闭环控制阶段通过角度观测模型获取反电动势；根据所述反电动势获取所述步进电机的转子位置和速度。
具体的，所述角度观测模型可通过如下过程获取：
a)首先，构建步进电机静态模型。
在设计角度观测模型时，首先考虑如下的步进电机静态模型：
其中，为步进电机交轴(q轴)电流反馈；/>为步进电机直轴(d轴)电流反馈；/>为q轴反电势；/>为d轴反电势；Ls为定子电感；Rs为电机电阻；ωr为电机转速；/>为q轴输入电压；/>为d轴输入电压。
由于交轴电感与直轴电感近似相等，根据磁共能可求出步进电机在d-q旋转坐标系下的电磁转矩为：
其中，J为电机转动惯量；θ为转子位置；Te为电机电磁转矩；Tf为摩擦力矩；kt为力矩系数；iq为q轴电流。
将上述表达式(1)转换为如下状态空间模型，定义x为状态向量，u为输入向量，y为输出向量：
其中，将x状态向量分解为xn和xu两部分，xn为可测量部分，xu为不可测部分，
b)构造角度观测模型
为解决噪声分配和简化角度观测模型复杂度，根据上述步进电机静态模型构造角度观测模型：
其中：z为角度观测模型变量；D、F、G、L为模型参数，G＝-LB1，-LA11+A21+DL＝F，-LA12+A22-D＝0。
通过表达式(3)，模型参数可以描述如下：
其中：d为角度观测模型估计增益值。
因此，可得到离散化的角度观测模型如下：
其中，z1、z2为角度观测模型变量；k为执行的当前次数；d为角度观测模型估计增益值；Ts为控制周期；Rs为步进电机定子电阻；Ls为步进电机定子电感；为电机转速估计值；为q轴电流反馈；/>为d轴电流反馈；/>为q轴输入电压；/>为d轴输入电压。
进一步的，根据所述角度观测模型可获取反电动势如下：
其中，为q轴反电势估计值；/>为d轴反电势估计值。
进一步的，根据如下公式估计所述步进电机的转子位置
其中，为q轴反电势估计值；/>为d轴反电势估计值。需要说明的是，对于ωr>0时，/>而对于ωr≤0时，/>
进一步的，根据如下公式估计所述步进电机的速度
其中，ke为电机反电势常数。
c)角度观测模型收敛性分析
上述给出的角度观测模型表达式，为了满足缝制设备步进电机的控制性能，必须角度观测模型收敛速度小于系统收敛速度。该角度观测模型计算量比较小，DSP(DigitalSignal Processing，数字信号处理)对该角度观测模型的计算量不超过10μs。缝制设备的步进电机系统包括两个环：电流环和位置环，其中电流环控制周期可以为62.5μs，位置环控制周期可以为500μs。角度观测模型和电流环PI算法在电流环运行，位置环闭环控制算法在位置环运行。
通过分析可知，公式(5)中的变量d角度观测模型估计增益值的大小决定了观测模型的收敛速度和观测模型稳定性，为了设计一个稳定的角度观测模型，需要根据缝制设备步进电机系统的特性选择合适的变量d。步进电机系统的特性如下：
其中，s为步进电机系统的特征值，A为
步进电机系统的特征值决定系统收敛速度，角度观测模型为了能够快速的收敛到合适的值，选取角度观测模型的特征值不小于步进电机系统的5倍，这儿将角度观测模型的特征值与缝制设备速度进行关联，给出角度观测模型的变量d：
将d代入到上述表达式中，通过不断迭代可以得到最终的步进电机的转子位置和速度。
在上述实施例的基础上，所述闭环控制包括位置环控制和电流环控制。其中电流环控制方法可以采用现有的控制方法，而由于步进电机未设置位置传感器，因此可采用如下的方式实现位置环的闭环控制：
1)位置环闭环控制器设计
本实施例中首先将电流环性能调试完成后，再开始调试位置环闭环控制器。步进电机电流环带宽不低于500Hz，由于缝制设备步进电机实现点到点的位置运动，该位置运动过程是低频高速运动，因此在低频段电流环可以视为常值。如图所示3，简化后的位置环传递函数框图，根据传递函数可知步进电机系统模型可简写为：
其中θ在闭环阶段可以通过观测模型稳定的估计，并且估计精度满足0.2度要求。
令则表达式(7)可以写为：
基于滑模控制理论，设计控制器，首先选取如下滑模面：
s＝x+k|e|r·sgn(e(t)) (9)
其中：0<r<1，k>0，e(t)＝θ(t)-θref(t)。
对表达式(9)求导可得：
根据滑模到达条件选取趋近律为/>可以得到
利用上述公式可以得到控制器：
由于kt、J、Tf通过实验测试可以获得；ω、θ可以通过上述角度观测模型获得；k、r、α是未知的控制器参数，该参数决定了缝制设备步进电机位置的收敛时间；s、e(t)是通过角度观测模型和测试得到。
因此，位置环闭环控制器可以写成如下形式：
其中，iq为q轴电流；Tf为摩擦力矩；kt为推力系数；J为负载转动惯量；k>0、r(0<r<1)、α>0、η>0为控制参数；e(t)为位置误差；s为滑模面。
进一步的，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
S201、通过理论计算得到获取所述步进电机的第一开环控制所用时间、闭环控制所用时间、以及第二开环控制所用时间，从而获取所述步进电机整个控制过程达到目标停止位置的所用时间；；
S202、根据所述步进电机达到目标停止位置的所用时间进行所述步进电机选取和机械结构负载设计。。
本实施例中，在缝制设备设计时可以定量的分析步进电机达到目标停止位置的时间是否满足缝制时间要求和控制精度要求，其中，步进电机达到目标停止位置的时间包括第一开环控制所用时间、闭环控制所用时间以及第二开环控制所用时间，由于电机自身参数、动框惯量和摩擦力直接影响上述三部分时间，通过对时间的定量分析指导步进电机选取和机械负载的设计，进而指导工程实践中控制器设计及调试。实现无位置传感器的步进电机的控制，在最短时间内到达目标停止位置，解决步进电机失步现象，提高控制精度。
其中，S201所述的获取所述步进电机达到目标停止位置的时间，具体可包括：
根据所述第一开环控制的路径曲线和加速度获取第一开环控制所用时间t开1；
根据所述第二开环控制的路径曲线和加速度获取第二开环控制所用时间t开2；
根据估计所述步进电机的转子位置和速度所消耗的时间获取所述闭环控制所用时间t闭；
根据所述第一开环控制所用时间、所述第二开环控制所用时间及所述闭环控制所用时间，获取所述步进电机达到目标停止位置所用时间。具体的，可通过求和t开1+t开2+t闭，获取所述步进电机达到目标停止位置所用时间。
其中，根据如下公式获取所述第一开环控制所用时间：
其中，ω切为预设速度，a为加速度。
根据如下公式获取所述第二开环控制所用时间：
其中，P0为闭环控制切换到第二开环控制的初始位置，ω为第二开环控制阶段的速度，a为加速度，ω0为闭环控制切换到第二开环控制的初始速度。
对于闭环控制所用时间t闭的获取，具体可通过如下位置环闭环控制器控制性能收敛分析过程获取。
首先本实施例提供收敛时间的获取依据：
引理1：对于系统f(0,t)＝0,x∈Rn，假定存在一个定义在原点的领域上的光滑函数V(x)，并且存在实数c>0以及0<α<1，使得V(x)在/>上正定和在/>半负定，则系统的原点是有限时间稳定的。停息时间依赖于初始值x(0)＝x0，其上界是：
其中：是原点某一开邻域中的任何一点。如果并且V(x)是径向无界的(即，当‖x‖→+∞时，V(x)→+∞)，则系统的原点是全局有限时间稳定的。
证明：由V(x)+cVα(x)在半负定可知：
即/>
由于V(x)在上正定，可以解得：
V1-α(x)≤V1-α(x0)-c(1-α)t,0≤t≤T(x0)。
当时间t≥T(x0)时，根据引理1得到有限收敛时间：
证毕。
根据上述证明过程，本实施例中可将缝制设备的步进电机角度状态运动分为两个阶段：滑模到达阶段和沿滑模面运动阶段。
首先，对于滑模到达阶段，选用如下函数：
V＝s2(13)
其中，V为滑模函数；s为滑模面；α为控制参数；J为负载转动惯量；η为控制参数。
因此系统状态在有限时间内收敛到滑模面，有限收敛时间为：
其中，x0是开环切换到闭环的初始速度，也即所述预设速度。
当系统状态到达滑模面后，将沿滑模面运动直到收敛到原点。此时滑模面满足：
s＝x+k|e|r·sgn(e(t))＝0
其中，e(t)为角位置误差。
由于缝制设备中目标位置θd为常值，因此系统沿滑模面运动状态可以表示为：
对于表达式(16)的系统选用如下函数：
V2＝e2(t)。
其中，V2为误差函数。
对上式求导得到：
其中，k为控制参数；r为控制参数。
因此系统在有限时间收敛，收敛时间满足：
因此，根据T1和T2，缝制设备步进电机闭环控制的收敛时间可表示为：
其中，T闭为闭环控制所用时间；J为负载转动惯量；V为如公式(13)；η为控制参数；x0为所述预设速度；α为控制参数；r为控制参数。
基于上述实施例提供的方法，本实施例采用如图4所示的无位置传感器的步进电机控制原理图。
其中：
DC BUS：供电直流电压；
VSd：静态d轴电压给定；
VSq：静态q轴电压给定；
ISd：静态d轴电流给定；
ISq：静态q轴电流给定；
θref：电机角度给定；
PWMx：PWM信号；
VSa：A相定子电压；
VSb：B相定子电压；
iSa：A相定子电流；
iSb：B相定子电流；
观测器估算的电机转子位置；
SM：步进电机。
图4是该发明的基于无位置传感器的步进电机闭环控制系统框图，系统在普通两相步进电机矢量控制基础上提供了一个无位置传感器的步进电机控制思路，图4中需要实时从电机两相电流ISd、ISq以及施加在绕组上的电压变量信息中，根据步进电机数学模型和设计的观测器提取出步进电机转子位置信息，从而施加矢量控制和闭环控制，最终完成位置闭环控制。
图5为本发明实施例提供的步进电机控制装置的结构图。本实施例提供的步进电机控制装置可以执行步进电机控制方法实施例提供的处理流程，如图3所示，所述步进电机控制装置包括第一控制模块51、第二控制模块52、处理模块53及第三控制模块54。
第一控制模块51，用于通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；
第二控制模块52，用于将所述步进电机切换至闭环控制；
处理模块53，用于在闭环控制阶段估计所述步进电机的转子位置和速度；
第三控制模块54，用于根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。
进一步的，所述处理模块53用于：
在闭环控制阶段通过角度观测模型获取反电动势；
根据所述反电动势获取所述步进电机的转子位置和速度。
进一步的，所述处理模块53还用于：
获取所述步进电机达到目标停止位置的时间；
根据所述步进电机达到目标停止位置的时间进行所述步进电机选取和设置。
进一步的，所述处理模块53具体用于：
根据所述第一开环控制的路径曲线和加速度获取第一开环控制时间；
根据所述第二开环控制的路径曲线和加速度获取第二开环控制时间；
根据估计所述步进电机的转子位置和速度所消耗的时间获取所述闭环控制收敛时间；
根据所述第一开环控制时间、所述第二开环控制时间及所述闭环控制收敛时间，获取所述步进电机达到目标停止位置的时间。
本发明实施例提供的步进电机控制装置可以具体用于执行上述图1所提供的方法实施例，具体功能此处不再赘述。
本发明实施例提供的步进电机控制装置，通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；将步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段估计步进电机的转子位置和速度；根据步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置。本实施例的方法，通过对第一开环控制可以是步进电机快速将速度提升至稳定状态，再切换至闭环控制，可以稳定准确的估计步进电机的转子位置和速度，然后再由估计的步进电机的角度和速度通过第二开环控制对步进电机进行控制，进而实现无位置传感器的步进电机的控制，提高控制精度。
图6为本发明实施例提供的步进电机控制设备的结构示意图。本发明实施例提供的步进电机控制设备可以执行步进电机控制方法实施例提供的处理流程，如图6所示，步进电机控制设备60包括存储器61、处理器62、DSP单片机通讯接口63；其中，嵌入式代码存储在存储器61中，并被配置为由处理器62执行以上实施例所述的步进电机控制方法。
图6所示实施例的步进电机控制设备可用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
另外，本实施例还提供一种DSP单片机可读存储介质，其上存储有嵌入式程序，所述嵌入式程序被处理器执行以实现上述实施例所述的步进电机控制方法。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个DSP单片机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种步进电机控制方法，其特征在于，包括：
通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；
将所述步进电机切换至闭环控制，在闭环控制阶段通过角度观测模型获取反电动势；
根据所述反电动势获取所述步进电机的转子位置和速度；
根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置；
所述角度观测模型如下：
其中，z1、z2为角度观测模型变量；k为当前执行次数；d为角度观测模型估计增益值；Ts为控制周期；Rs为步进电机定子电阻；Ls为步进电机定子电感；为电机转速估计值；/>为q轴电流反馈；/>为d轴电流反馈；/>为q轴输入电压；/>为d轴输入电压；
根据所述角度观测模型获取反电动势如下：
其中，为q轴反电势估计值；/>为d轴反电势估计值；
根据如下公式估计所述步进电机的转子位置
根据如下公式估计所述步进电机的速度
其中，ke为步进电机反电动势常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闭环控制包括位置环控制和电流环控制；
其中，通过如下公式进行位置环控制：
其中，iq为q轴电流；Tf为摩擦力矩；kt为推力系数；J为负载转动惯量；k>0、0＜r＜1、α>0、η>0为控制参数；e(t)为位置误差；s为滑模面；ω为第二开环控制阶段的速度；为电机转速估计值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
通过理论计算获取所述步进电机的第一开环控制所用时间、闭环控制所用时间、以及第二开环控制所用时间，从而获取所述步进电机整个控制过程达到目标停止位置所用时间；
根据所述步进电机达到目标停止位置所用时间进行所述步进电机选取和机械结构负载设计。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过理论计算获取所述步进电机的第一开环控制所用时间、闭环控制所用时间、以及第二开环控制所用时间，包括：
根据所述第一开环控制的路径曲线和加速度获取第一开环控制所用时间；
根据所述第二开环控制的路径曲线和加速度获取第二开环控制所用时间；
根据估计所述步进电机的转子位置和速度所消耗的时间获取所述闭环控制所用时间；
根据所述第一开环控制所用时间、所述第二开环控制所用时间及所述闭环控制所用时间，获取所述步进电机达到目标停止位置所用时间。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述通过理论计算获取所述步进电机的第一开环控制所用时间、闭环控制所用时间、以及第二开环控制所用时间，包括：
根据如下公式获取所述第一开环控制所用时间：
其中，ω切为预设速度，a为加速度；
根据如下公式获取所述第二开环控制所用时间：
其中，P目标为第二开环控制的目标位置，P0为闭环控制切换到第二开环控制的初始位置，ω为第二开环控制阶段的速度，a为加速度，ω0为闭环控制切换到第二开环控制的初始速度，t开2第二开环控制所用时间；
根据如下公式获取所述闭环控制所用时间：
其中，T闭为闭环控制所用时间；J为负载转动惯量；V＝s2，s为滑模面；η为控制参数；x0为闭环控制初始时刻速度；α>0为控制参数；0＜r＜1为控制参数；V2为误差函数。
6.一种步进电机控制装置，其特征在于，包括：
第一控制模块，用于通过第一开环控制将步进电机将速度从初始状态提升至预设速度；
第二控制模块，用于将所述步进电机切换至闭环控制；
处理模块，用于在闭环控制阶段通过角度观测模型获取反电动势；
根据所述反电动势获取所述步进电机的转子位置和速度；
第三控制模块，用于根据所述步进电机的角度和速度进行第二开环控制，以达到目标停止位置；
所述角度观测模型如下：
其中，z1、z2为角度观测模型变量；k为当前执行次数；d为角度观测模型估计增益值；Ts为控制周期；Rs为步进电机定子电阻；Ls为步进电机定子电感；为电机转速估计值；/>为q轴电流反馈；/>为d轴电流反馈；/>为q轴输入电压；/>为d轴输入电压；
根据所述角度观测模型获取反电动势如下：
其中，为q轴反电势估计值；/>为d轴反电势估计值；
根据如下公式估计所述步进电机的转子位置
根据如下公式估计所述步进电机的速度
其中，ke为步进电机反电动势常数。
7.一种步进电机控制设备，其特征在于，包括：
存储器；以及
处理器；
其中，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序；
所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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