CN115580184A - 驱控一体式步进电机的控制方法、点胶设备 - Google Patents

驱控一体式步进电机的控制方法、点胶设备 Download PDF

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CN115580184A CN202211568167.9A CN202211568167A CN115580184A CN 115580184 A CN115580184 A CN 115580184A CN 202211568167 A CN202211568167 A CN 202211568167A CN 115580184 A CN115580184 A CN 115580184A
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Abstract

本发明公开了一种驱控一体式步进电机的控制方法、点胶设备，控制方法包括以下步骤：S1、建立驱控一体式步进电机的数学模型；S2、对数学模型进行优化，得到简化模型；S3、设计扩张状态观测器，得到反电动势的观测值；S4、设计PLL锁相环，建立输出角度与输入角度之间的传递函数；S5、通过天牛须‑模拟退火融合算法对传递函数进行优化，确定PLL锁相环的最优的控制参数
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
；S6、得到锁相环的输出相位
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE003
和输出角速度
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
；S7、根据输出相位
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE005
和输出角速度
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
控制步进电机运转。本发明省去了位置传感器，可以进一步减小驱控一体式步进电机的体积、重量，更加小型化；还可以提高无位置传感器的驱控一体式步进电机的定位精度、响应速度和稳定性。

Description

驱控一体式步进电机的控制方法、点胶设备
技术领域
本发明涉及步进电机技术领域，尤其涉及一种驱控一体式步进电机的控制方法、点胶设备。
背景技术
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线等中得到广泛应用。
步进电机一般需要配合驱动器一起使用。驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当驱动器接收到一个脉冲信号，驱动器就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。在步进电机的控制系统中，步进电机的转子位置信息是通过电机内部的位置传感器来获取，以实时监控步进电机的运转，保证控制精度。现有的步进电机与驱动器一般是分体的，使用时，需要将步进电机与驱动器进行连接。
例如，步进电机经常被用于点胶设备上，用于控制点胶阀的位置。点胶设备通常在印刷电路板与电子元器件的表面贴装、微机电系统封装和集成电路封装等精密行业应用广泛，这就要求点胶设备具有很高的精度，能够将点胶阀与工件进行精准定位。因此，对步进电机也提出了更高的要求。并且，当点胶设备需要使用多个步进电机时，步进电机与驱动器之间接线多且杂乱，影响点胶设备的工作。另外，步进电机在低速运动时因为低频特性容易出现抖动，也会影响精度。
对此，为了减少步进电机与驱动器之间的接线，有人提出了驱控一体式步进电机，即，将驱动器集成在步进电机内部，有利于减少外部接线，提高可靠性。但是，将驱动器集成在步进电机内部，在一定程度上会增大步进电机的体积、重量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的驱控一体式步进电机体积较大、重量重的技术问题。本发明提供一种驱控一体式步进电机的控制方法，该驱控一体式步进电机内无位置传感器，可以进一步减小驱控一体式步进电机的体积，降低重量；并且还能够保证步进电机的定位精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种驱控一体式步进电机的控制方法，包括以下步骤：
S1、建立驱控一体式步进电机的数学模型；
S2、对所述数学模型进行优化，得到简化模型；
S3、设计扩张状态观测器，得到反电动势的观测值；
S4、设计PLL锁相环，建立输出角度与输入角度之间的传递函数；
S5、通过天牛须-模拟退火融合算法对所述传递函数进行优化，确定PLL锁相环的最优的控制参数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
S6、根据所述最优的控制参数
Figure 306544DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 505444DEST_PATH_IMAGE002
得到锁相环的输出相位
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
和输出角速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
S7、根据所述输出相位
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
和输出角速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
控制步进电机运转。
进一步的，步骤S5中，通过天牛须-模拟退火融合算法对所述传递函数进行优化，确定最优的控制参数
Figure 49689DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 43053DEST_PATH_IMAGE002
，具体包括以下步骤：
S51、初始化天牛须-模拟退火融合算法中相关参数，所述相关参数包括：温度T、默认步长因子
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
、空间维度D、总迭代次数N、退火循环次数L；并随机生成天牛的初始位置X和方向
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
；
S52、设置天牛的步长S=T，
S53、创建天牛左须和右须的空间坐标；建立适应度函数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，计算天牛的下一步空间位置；
S54、根据接受准则，判断是否接受计算得到的下一步空间位置为新的天牛空间位置；
S55、更新步长S；
S56、判断步骤S53-S55的循环次数是否达到退火循环次数L，若是，则执行步骤S57；若否，则返回步骤S53；
S57、更新当前步长因子
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，并进行退温操作；
S58、判断迭代次数t是否达到总迭代次数N，若是，则输出当前天牛空间位置作为最优解，若否，则返回步骤S52。
进一步的，所述数学模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
分别表示定子绕组α和β的电压；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
分别表示定子绕组α和β的电流；B表示粘滞摩擦系数；J表示转子转动惯量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
表示步进电机转矩常数；R表示定子绕组的电阻；L表示定子绕组的电感；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
表示转子机械角速度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
表示转子电角度；Nr表示转子齿数，θ表示转子机械角度，t表示时间。
进一步的，所述简化模型如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
(2)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
分别表示定子绕组α和β的反电动势，
Figure 423481DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 160493DEST_PATH_IMAGE022
的表达式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
(3)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
表示电转速，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
表示最大磁通量。
进一步的，所述扩张状态观测器的公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
(4)
其中，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
是扩张状态观测器的输入参数，电角度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
和电转速
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
是扩张状态观测器的输出参数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
分别是电流
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
的估计值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
是扩张状态观测器的增益，sgn表示符号函数；
根据等效控制原理可得：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
(5)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
分别为αβ坐标系下的反电动势的观测值。
进一步的，根据PLL锁相环的工作原理可得：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
(6)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
表示PLL锁相环的输出角度；
当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
时，可以得到如下关系式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
(7)
结合公式（6）和公式（7）可得：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
(8)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
；
对公式（8）进行拉普拉斯变换可以得到输出角度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
和输入角度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
之间的传递函数：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE047
(9)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049
为PLL锁相环的控制参数，s表示时域变量变换到复频域的变量。
进一步的，天牛左须和右须的空间坐标如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
(10)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051
表示天牛左须的空间位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
表示天牛右须的空间位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE053
表示第t次迭代的时候，天牛本体的空间位置，t表示迭代次数，d表示天牛质心与触须间的距离；
在第t次迭代中，天牛下一步空间位置的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
(11)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE055
表示第t+1次迭代时，天牛本体的空间位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
表示天牛在第t次迭代时的步长，sgn表示符号函数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE057
表示天牛左须的空间位置的适应度值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE058
表示天牛右须的空间位置的适应度值；
其中，适应度值的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE059
(12)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE060
表示权重，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE061
表示上升时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE062
表示电压跟踪相位差补偿指令，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE063
为公式（8）中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE064
的时间表达式；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE065
为PLL锁相环的输出相位值，表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE066
(13)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE067
是积分系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE068
。
进一步的，所述接受准则为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE069
(14)
其中，p表示概率，exp为以常数e为底的指数函数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE070
为第t+1次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE071
为第t次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE072
为常数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE073
为第t次迭代时的温度；
若
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE074
，则表明天牛的位置移动后得到更优解，总是接受该移动；
若
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE075
，则表明天牛的位置移动后得到的解比当前的解差，以概率p接受此次移动。
进一步的，更新步长S的公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE076
(15)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE077
为第t次迭代时的步长，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE078
为第t+1次迭代时的步长，步长因子
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE079
的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE080
(16)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE081
为默认步长因子，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE082
为历史最优适应度值，N为总迭代次数。
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE083
为默认步长因子，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE084
为历史最优适应度值，N为总迭代次数。
本发明还提供一种点胶设备，包括多个驱控一体式步进电机，所述驱控一体式步进电机采用所述的控制方法进行控制。
本发明的有益效果是，
本发明的控制方法、点胶设备，省去了位置传感器，可以进一步减小驱控一体式步进电机的体积、重量，更加小型化；通过天牛须-模拟退火融合算法优化锁相环的控制参数，可以提高无位置传感器的驱控一体式步进电机的定位精度、响应速度和稳定性。另外，还能改善点胶设备的动态性能，进一步提高点胶定位精确度，提高点胶设备的精准点胶能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的控制方法的流程图。
图2是本发明的天牛须-模拟退火融合算法的流程图。
图3是本发明的驱控一体式步进电机的结构框图。
图4是本发明的PLL锁相环的示意图。
图5是本发明的驱控一体式步进电机的控制过程的示意图。
图6是本发明的点胶设备的结构框图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的驱控一体式步进电机的控制方法，包括以下步骤：
S1、建立驱控一体式步进电机的数学模型。
需要说明的是，如图3所示，本实施例的驱控一体式步进电机包括：控制器、驱动器和步进电机，控制器与驱动器连接，控制器可以通过PWM信号控制驱动器，驱动器通过二相H桥与步进电机连接，驱动器可以驱动步进电机工作。控制器可以通过ADC接口与电流检测电路连接，实时监测步进电机的工作状态。控制器的SPI接口用于连接EtherCAT总线，与其他部件进行通信。本实施例的驱控一体式步进电机的模型基于一个永磁转子和两个相隔90°的定子绕组，忽略负载扰动。因此，数学模型可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE085
Figure 262308DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure DEST_PATH_IMAGE087
分别表示定子绕组α和β的电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE088
和
Figure DEST_PATH_IMAGE089
分别表示定子绕组α和β的电流；B表示粘滞摩擦系数；J表示转子转动惯量；
Figure DEST_PATH_IMAGE090
表示步进电机转矩常数；R表示定子绕组的电阻；L表示定子绕组的电感；
Figure DEST_PATH_IMAGE091
表示转子机械角速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE092
表示转子电角度；Nr表示转子齿数，θ表示转子机械角度，t表示时间。
S2、对数学模型进行优化，得到简化模型。
为了便于分析计算，对数学模型进行优化，消除数学模型中的非线性项可以得到如下的简化模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE093
(2)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure DEST_PATH_IMAGE095
分别表示定子绕组α和β的反电动势；
Figure 442885DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 684510DEST_PATH_IMAGE095
的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
(3)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE097
表示电转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
表示最大磁通量。
S3、设计扩张状态观测器，得到反电动势的观测值。
扩张状态观测器的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE099
(4)
其中，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE100
和
Figure DEST_PATH_IMAGE101
是扩张状态观测器的输入参数，电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE102
和电转速
Figure DEST_PATH_IMAGE103
是扩张状态观测器的输出参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure DEST_PATH_IMAGE105
分别是电流
Figure DEST_PATH_IMAGE106
和
Figure DEST_PATH_IMAGE107
的估计值；
Figure DEST_PATH_IMAGE108
是扩张状态观测器的增益，sgn表示符号函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE109
换言之，当
Figure DEST_PATH_IMAGE110
时，sgn=-1；当
Figure DEST_PATH_IMAGE111
时，sgn=1。
根据等效控制原理可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE112
(5)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE113
、
Figure DEST_PATH_IMAGE114
分别为αβ坐标系下的反电动势的观测值（即估计值）。
S4、设计PLL锁相环，建立输出角度与输入角度之间的传递函数。
图4展示了PLL锁相环的结构，输出角度
Figure DEST_PATH_IMAGE115
分别传输给模拟余弦模块和模拟正弦模块，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE116
与
Figure DEST_PATH_IMAGE117
，利用模拟乘法器，将外部输入的
Figure DEST_PATH_IMAGE118
、
Figure DEST_PATH_IMAGE119
分别与
Figure 461099DEST_PATH_IMAGE116
和
Figure 104570DEST_PATH_IMAGE117
相乘，分别得到
Figure DEST_PATH_IMAGE120
与
Figure DEST_PATH_IMAGE121
。再将
Figure 502053DEST_PATH_IMAGE120
与
Figure 44024DEST_PATH_IMAGE121
相加，相加时，其中
Figure 122838DEST_PATH_IMAGE121
为负值，可以得到
Figure DEST_PATH_IMAGE122
-
Figure DEST_PATH_IMAGE123
。根据PLL锁相环的工作原理，可得
Figure DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure DEST_PATH_IMAGE125
经过PI模块输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，再通过积分模块得到
Figure DEST_PATH_IMAGE127
。而
Figure 490323DEST_PATH_IMAGE127
在循环中继续反馈，参与相位锁定，实现输出信号对输入信号的自动跟踪。由此，可以得到如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE128
(6)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE129
表示PLL锁相环的输出角度；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE130
时，可以得到如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE131
(7)
结合公式（6）和公式（7）可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE132
(8)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE133
。
对公式（8）进行拉普拉斯变换可以得到输出角度
Figure DEST_PATH_IMAGE134
和输入角度
Figure DEST_PATH_IMAGE135
（即转子电角度）之间的传递函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
(9)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE137
和
Figure DEST_PATH_IMAGE138
为PLL锁相环的控制参数，s表示时域变量变换到复频域的变量。
换言之，经过步骤S1至S4，可以得到控制步进电机工作的最关键的两个参数
Figure DEST_PATH_IMAGE139
和
Figure DEST_PATH_IMAGE140
。
S5、通过天牛须-模拟退火融合算法对传递函数进行优化，确定PLL锁相环的最优的控制参数
Figure DEST_PATH_IMAGE141
和
Figure DEST_PATH_IMAGE142
。
如图2所示，本实施例采用天牛须-模拟退火融合算法对公式（9）进行优化，得到控制参数
Figure 888068DEST_PATH_IMAGE141
和
Figure 838707DEST_PATH_IMAGE142
的最优解。具体过程如下：
S51、初始化天牛须-模拟退火融合算法中相关参数。
相关参数包括：温度T、默认步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE143
、空间维度D、总迭代次数N、退火循环次数L；并随机生成天牛的初始位置X和方向
Figure DEST_PATH_IMAGE144
。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE145
，rands表示随机函数。例如，温度T=100，
Figure DEST_PATH_IMAGE146
=0.95，D=2，N=20，L=30。
S52、设置天牛的步长S=T。
即，第一次迭代的时候，步长S=100。
S53、创建天牛左须和右须的空间坐标；建立适应度函数
Figure DEST_PATH_IMAGE147
，计算天牛的下一步空间位置。
例如，天牛左须和右须的空间坐标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE148
(10)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE149
表示天牛左须的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE150
表示天牛右须的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE151
表示第t次迭代的时候，天牛本体的空间位置，d表示天牛质心与触须（即左须、右须）间的距离。由于算法是一直在运行的，实际运行速度非常快（以秒为单位），第t次迭代也表示在t时刻的运算，第t+1次迭代表示在下一时刻的运算。
在第t次迭代中，天牛下一步空间位置的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE152
(11)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE153
表示第t+1次迭代时，天牛本体的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
表示天牛在第t次迭代时的步长，sgn表示符号函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE155
表示天牛左须的空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
表示天牛右须的空间位置的适应度值。
其中，适应度值的计算公式（即适应度函数JS）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE157
(12)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE158
表示权重，例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE159
=0.022，
Figure DEST_PATH_IMAGE160
=3.5，
Figure DEST_PATH_IMAGE161
=84，
Figure DEST_PATH_IMAGE162
=1.2。
Figure DEST_PATH_IMAGE163
表示上升时间，例如，
Figure 409627DEST_PATH_IMAGE163
=0.5ms，
Figure DEST_PATH_IMAGE164
表示电压跟踪相位差补偿指令，
Figure DEST_PATH_IMAGE165
为公式（8）中
Figure DEST_PATH_IMAGE166
的时间表达式。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE167
为PLL锁相环的输出相位值，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE168
(13)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE169
是积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE170
。
换言之，在本实施例中，适应度函数JS可以用于评价
Figure 444668DEST_PATH_IMAGE167
和
Figure 387216DEST_PATH_IMAGE165
之间的适应度。而
Figure 887467DEST_PATH_IMAGE165
与传递函数有关，即，适应度函数与控制参数
Figure DEST_PATH_IMAGE171
、
Figure DEST_PATH_IMAGE172
有关。
S54、根据接受准则，判断是否接受计算得到的下一步空间位置为新的天牛空间位置。
在本实施例中，接受准则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE173
(14)
其中，exp为以常数e为底的指数函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE174
为第t+1次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE175
为第t次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE176
为常数（通常取为1），
Figure DEST_PATH_IMAGE177
为第t次迭代时的温度。
当T随着迭代次数的递增而减小时，概率p也会随着时间推移而逐渐降低，由此，融合算法逐渐达到收敛。
若
Figure DEST_PATH_IMAGE178
，此时，概率p=1，则表明天牛的位置移动后得到更优解，总是接受该移动。
若
Figure DEST_PATH_IMAGE179
，此时，
Figure DEST_PATH_IMAGE180
，则表明天牛的位置移动后得到的解比当前的解差，以概率p接受此次移动。
S55、更新步长S。
更新步长S的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE181
(15)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE182
为第t次迭代时的步长，
Figure DEST_PATH_IMAGE183
为第t+1次迭代时的步长。步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE184
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE185
(16)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE186
为默认步长因子例如，
Figure 871866DEST_PATH_IMAGE186
=0.95，
Figure DEST_PATH_IMAGE187
为历史最优适应度值，N为总迭代次数，N=20。也就是说，当前迭代得到的适应度值
Figure DEST_PATH_IMAGE188
如果大于历史最优适应度值
Figure 406753DEST_PATH_IMAGE187
，则重新计算步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE189
，更新后的步长因子
Figure 333251DEST_PATH_IMAGE189
小于
Figure 258482DEST_PATH_IMAGE186
。如果当前迭代得到的适应度值
Figure 482790DEST_PATH_IMAGE188
小于或等于历史最优适应度值
Figure 606604DEST_PATH_IMAGE187
，则步长因子仍然为
Figure 890955DEST_PATH_IMAGE186
。由于
Figure 303481DEST_PATH_IMAGE186
=0.95，更新后的步长
Figure DEST_PATH_IMAGE190
<
Figure DEST_PATH_IMAGE191
；但是，当
Figure 144530DEST_PATH_IMAGE188
>
Figure 326112DEST_PATH_IMAGE187
时，更新后的步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE192
比
Figure 578102DEST_PATH_IMAGE186
更小，步长
Figure 477925DEST_PATH_IMAGE190
会收敛得更快。由此，可以提高算法的运算速度和效率。
S56、判断步骤S53-S55的循环次数是否达到退火循环次数L，若是，则执行步骤S57；若否，则返回步骤S53。
本实施例设置的退火循环次数L=30，即，在执行步骤S57之前，步骤S53至S56会重复运算30次，当步骤S53-S55达到循环次数后，再执行步骤S57。
S57、更新当前步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE193
，并进行退温操作。
达到循环次数30次后，步长因子
Figure 857085DEST_PATH_IMAGE193
按照公式（16）进行更新，用于后续的运算。退温操作的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE194
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE195
表示第t+1次迭代的时的温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE196
表示第t次迭代时的温度。
S58、判断迭代次数t是否达到总迭代次数N，若是，则输出当前天牛空间位置作为最优解；若否，则返回步骤S52。
也就是说，当迭代次数t达到20次时，则将最后输出的天牛空间位置作为最优解，根据天牛空间位置的最优解可以得到最优的控制参数
Figure 221070DEST_PATH_IMAGE141
和
Figure DEST_PATH_IMAGE197
。如果迭代次数还没达到20次，则将退温后的
Figure DEST_PATH_IMAGE198
赋值给步骤S52中的步长S，进行新一次的迭代运算。
换言之，本实施例的融合算法将天牛通过触须的感知移动与固体的退火过程相结合，可有效应对天牛须搜索算法易陷入局部最优的问题；同时加入自适应因子，动态改变天牛的搜索步长，加快收敛速度。步骤S51是模拟退火与天牛须算法中初始化过程。步骤S52-S53为天牛须搜索算法移动寻优的过程。若只是如此循环迭代，容易陷入局部最优解的问题，所以引入步骤S54的接受准则，以一定概率跳出局部最优解，再结合步骤S55，通过融合两算法，以自适应因子的变化为判断，动态调节步长。本发明的融合算法，在前期，可以以较大概率跳出局部最优解，在后期，可以以较高的速度收敛。由此，既能够提高最优解的可靠性，保证驱控一体式步进电机的定位精度；还能够提高运算速度，保证步进电机响应的实时性。
由此，经过天牛须-模拟退火融合算法可以解算出最优的控制参数
Figure DEST_PATH_IMAGE199
和
Figure DEST_PATH_IMAGE200
。单独的天牛须搜索算法容易在求解中陷入局部最优解，局部最优并非全局最优，只是一段范围内的最优的解，而全局最优是对点胶设备使用的步进电机整个系统的最优解。本实施例的融合算法得到的最优参数是全局最优，解出的最优参数的可靠性更高，符合步进电机的控制精度。
并且，与天牛须和其他算法的融合相比，本实施例的天牛须-模拟退火融合算法，在提高运算可靠性的同时，具有较快的运算速度和效率。由于本实施例的驱控一体式步进电机主要用于点胶设备的点胶阀的定位控制上，对驱控一体式步进电机，不仅有定位精度的要求，而且在步进电机运转的实时性也有一定要求。本实施例的融合算法，一方面，能够提高无位置传感器的驱控一体式步进电机的定位精度；另一方面，还能够提高驱控一体式步进电机的反应实时性，满足点胶设备的工作要求。
S6、根据最优的控制参数
Figure DEST_PATH_IMAGE201
和
Figure DEST_PATH_IMAGE202
得到锁相环的输出相位
Figure DEST_PATH_IMAGE203
和输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE204
。
将得到的最优的控制参数
Figure 264200DEST_PATH_IMAGE201
和
Figure 713636DEST_PATH_IMAGE202
代入公式（9）的传递函数中，可以得到最优的输出角度
Figure 83438DEST_PATH_IMAGE203
（即锁相环的输出相位），根据输出角度
Figure 974033DEST_PATH_IMAGE203
可以得到锁相环的输出角速度
Figure 584137DEST_PATH_IMAGE204
，
Figure 192973DEST_PATH_IMAGE203
和
Figure 366466DEST_PATH_IMAGE204
的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE205
。
S7、根据输出相位
Figure DEST_PATH_IMAGE206
和输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE207
控制步进电机运转。
如图5所示，驱控一体式步进电机包括PI控制器和PIR控制器，PLL锁相环的输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE208
反馈给PI控制器，PI控制器输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE209
。电流
Figure DEST_PATH_IMAGE210
和
Figure DEST_PATH_IMAGE211
经过park变换后为
Figure DEST_PATH_IMAGE212
和
Figure DEST_PATH_IMAGE213
。其中，Park变换如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE214
。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE215
和
Figure DEST_PATH_IMAGE216
为αβ坐标系下的电流，可以通过电流采集模块对步进电机采样得到，
Figure 190196DEST_PATH_IMAGE212
和
Figure 158152DEST_PATH_IMAGE213
为qd坐标系下的电流。将电流
Figure 254284DEST_PATH_IMAGE209
和
Figure 778938DEST_PATH_IMAGE212
反馈给上方PIR控制器，上方PIR控制器输出电压信号
Figure DEST_PATH_IMAGE217
。将电流
Figure DEST_PATH_IMAGE218
和
Figure DEST_PATH_IMAGE219
反馈给下方PIR控制器，下方PIR控制器输出电压信号
Figure DEST_PATH_IMAGE220
。逆park变换接受输入的
Figure 706442DEST_PATH_IMAGE217
、
Figure 658349DEST_PATH_IMAGE220
和
Figure DEST_PATH_IMAGE221
信号，可以输出电压信号
Figure DEST_PATH_IMAGE222
、
Figure DEST_PATH_IMAGE223
。SPWM（Sinusoidal PWM）模块接受电压信号
Figure 304094DEST_PATH_IMAGE222
、
Figure 553810DEST_PATH_IMAGE223
，并通过H桥控制步进电机运动。
本发明的驱控一体式步进电机内部没有位置传感器，这样可以进一步减小驱控一体式步进电机的体积、重量。本发明的控制方法，基于扩张状态观测器和锁相环控制技术相结合的控制方式，并利用天牛须—模拟退火融合算法来优化锁相环的控制参数，这样，可以显著提高无位置传感器的驱控一体式步进电机的定位精度，定位精度至少与有位置传感器的步进电机基本保持同等水平，甚至可以更高，还可以有效防止因突加负载而造成的失步。
如图6所示，本发明还提供一种点胶设备，包括：工控机、运动控制器、多个驱控一体式步进电机、点胶阀、激光测高传感器、机器视觉LED光源等等。工控机作为上位机，具备强大的运算和数据处理能力、开发灵活、抗干扰性强的优点，主要完成点胶路径生成、人机界面等非实时性任务。工控机与运动控制器之间通过以太网、串口进行数据通讯。运动控制器选用ZMC416BE，ZMC416BE系列控制器，采用优化的EtherCAT网络通讯协议，可以实现实时的控制，支持最多达32轴的点胶机器人，具有直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、复合协同插补等运动功能。其中，驱控一体式步进电机可以带动点胶阀移动到待点胶工件所在的位置上，驱控一体式步进电机采用上述的控制方法进行控制。由此，使得点胶阀能够精准对准待点胶的工件，提高点胶精度。并且，驱控一体式步进电机响应速度快，转速、电流具有较强的自适应能力，还能够有效抑制谐波电流，有利于减小电机转动噪音和转矩脉动。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种驱控一体式步进电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立驱控一体式步进电机的数学模型；
S2、对所述数学模型进行优化，得到简化模型；
S3、设计扩张状态观测器，得到反电动势的观测值；
S4、设计PLL锁相环，建立输出角度与输入角度之间的传递函数；
S5、通过天牛须-模拟退火融合算法对所述传递函数进行优化，确定PLL锁相环的最优的控制参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S6、根据所述最优的控制参数
Figure 712933DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 630073DEST_PATH_IMAGE002
得到锁相环的输出相位
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
S7、根据所述输出相位
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和输出角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE006
控制步进电机运转。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S5中，通过天牛须-模拟退火融合算法对所述传递函数进行优化，确定最优的控制参数
Figure 285177DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 680386DEST_PATH_IMAGE002
，具体包括以下步骤：
S51、初始化天牛须-模拟退火融合算法中相关参数；
所述相关参数包括：温度T、默认步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、空间维度D、总迭代次数N、退火循环次数L；并随机生成天牛的初始位置X和方向
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
S52、设置天牛的步长S=T，
S53、创建天牛左须和右须的空间坐标；建立适应度函数
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，计算天牛的下一步空间位置；
S54、根据接受准则，判断是否接受计算得到的下一步空间位置为新的天牛空间位置；
S55、更新步长S；
S56、判断步骤S53-S55的循环次数是否达到退火循环次数L，若是，则执行步骤S57；若否，则返回步骤S53；
S57、更新当前步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，并进行退温操作；
S58、判断迭代次数t是否达到总迭代次数N，若是，则输出当前天牛空间位置作为最优解，若否，则返回步骤S52。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述数学模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别表示定子绕组α和β的电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
分别表示定子绕组α和β的电流；B表示粘滞摩擦系数；J表示转子转动惯量；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示步进电机转矩常数；R表示定子绕组的电阻；L表示定子绕组的电感；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示转子机械角速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示转子电角度；Nr表示转子齿数，θ表示转子机械角度，t表示时间。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述简化模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
(2)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
分别表示定子绕组α和β的反电动势，
Figure 120857DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 943319DEST_PATH_IMAGE022
的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(3)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示电转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示最大磁通量。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
(4)
其中，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure DEST_PATH_IMAGE030
是扩张状态观测器的输入参数，电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
和电转速
Figure DEST_PATH_IMAGE032
是扩张状态观测器的输出参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure DEST_PATH_IMAGE034
分别是电流
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
的估计值；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
是扩张状态观测器的增益，sgn表示符号函数；
根据等效控制原理可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
(5)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure DEST_PATH_IMAGE040
分别为αβ坐标系下的反电动势的观测值。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，根据PLL锁相环的工作原理可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
(6)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示PLL锁相环的输出角度；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE043
时，可以得到如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
(7)
结合公式（6）和公式（7）可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
(8)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；
对公式（8）进行拉普拉斯变换可以得到输出角度
Figure DEST_PATH_IMAGE047
和输入角度
Figure DEST_PATH_IMAGE048
之间的传递函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
(9)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为PLL锁相环的控制参数，s表示时域变量变换到复频域的变量。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，天牛左须和右须的空间坐标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
(10)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
表示天牛左须的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
表示天牛右须的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示第t次迭代的时候，天牛本体的空间位置，t表示迭代次数，d表示天牛质心与触须间的距离；
在第t次迭代中，天牛下一步空间位置的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
(11)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
表示第t+1次迭代时，天牛本体的空间位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示天牛在第t次迭代时的步长，sgn表示符号函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
表示天牛左须的空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示天牛右须的空间位置的适应度值；
其中，适应度值的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
(12)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
表示权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
表示上升时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
表示电压跟踪相位差补偿指令，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为公式（8）中
Figure DEST_PATH_IMAGE066
的时间表达式；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为PLL锁相环的输出相位值，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
(13)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE069
是积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述接受准则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE071
(14)
其中，p表示概率，exp为以常数e为底的指数函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为第t+1次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为第t次迭代时的天牛空间位置的适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为第t次迭代时的温度；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，则表明天牛的位置移动后得到更优解，总是接受该移动；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，则表明天牛的位置移动后得到的解比当前的解差，以概率p接受此次移动。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，更新步长S的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
(15)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
为第t次迭代时的步长，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为第t+1次迭代时的步长，步长因子
Figure DEST_PATH_IMAGE081
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
(16)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
为默认步长因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为历史最优适应度值，N为总迭代次数。
10.一种点胶设备，其特征在于，包括多个驱控一体式步进电机，所述驱控一体式步进电机采用如权利要求1-9任一项所述的控制方法进行控制。
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