一种基于步进电机的控制方法、装置及电子设备与流程

1.本技术涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种基于步进电机的控制方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.在横机、大圆机、内衣机等机器中会设置有调节度目的步进电机，这些机器在布面的密度变化过程中，会对步进电机的负载有较大的变化，因此要求电机能够适应不同的负载变化且响应要快。此外，步进电机在固定位置锁定时，由于出针的原因，会对步进电机产生一定的负载，因此还要求步进电机有较大的锁定力且不能抖动。然而，目前的步进电机均只能满足其中任意一方面的要求，还没有能够让步进电机同时满足上述两点的办法。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本技术实施例提供了一种基于步进电机的控制方法、装置及电子设备。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种基于步进电机的控制方法，所述方法包括：检测步进电机的实时状态信息，当所述实时状态信息表征所述步进电机停止时，基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向预设的锁定位置移动；当检测到所述步进电机到达所述锁定位置时，基于开环矢量控制驱动所述步进电机，用以锁定所述步进电机；当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制。
5.优选的，所述当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制，包括：当所述步进电机被锁定时，获取所述步进电机的锁定力，并持续监测所述步进电机的外部负载力；计算所述外部负载力与锁定力的差值，当所述差值为负时，使针对所述步进电机的控制驱动模式保持为所述开环矢量控制；当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制。
6.优选的，所述当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制之后，还包括：确定所述锁定位置与相邻级对位置之间的标准偏离角度，实时检测所述步进电机的当前偏离角度；当所述当前偏离角度不大于所述标准偏离角度时，维持所述控制驱动模式为所述pid闭环控制；
当所述当前偏离角度大于所述标准偏离角度时，基于所述闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向所述锁定位置移动。
7.优选的，所述当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制之后，还包括：统计所述差值不为负的偏转时长，当所述偏转时长大于预设时长时，生成失步报警信息，所述失步报警信息用以表征所述步进电机的当前负载大于电机扭矩。
8.优选的，所述基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，包括：基于所述锁定位置向所述步进电机发送初始电脉冲信号；持续获取所述步进电机的转子位置反馈数据，并确定所述步进电机的转子在当前时刻下的理论转子位置；基于所述理论转子位置与转子位置反馈数据生成调整电脉冲信号，并向所述步进电机发送所述调整电脉冲信号。
9.优选的，所述基于开环矢量控制驱动所述步进电机，包括：向所述步进电机发送预设的恒定电脉冲信号，用以使所述步进电机基于所述恒定电脉冲信号控制转子的转子位置。
10.第二方面，本技术实施例提供了一种基于步进电机的控制装置，所述装置包括：第一检测模块，用于检测步进电机的实时状态信息，当所述实时状态信息表征所述步进电机停止时，基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向预设的锁定位置移动；第二检测模块，用于当检测到所述步进电机到达所述锁定位置时，基于开环矢量控制驱动所述步进电机，用以锁定所述步进电机；调控模块，用于当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制。
11.第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法的步骤。
12.第四方面，本技术实施例提供了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或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法。
13.本发明的有益效果为：能够根据步进电机的实时位置来调整当前针对步进电机的控制方式，保证步进电机能够适应不同的负载变化的同时，还使得步进电机在锁定时的锁定力变大，密度值一致性好，不会造成锁定时失步的现象。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本技术实施例提供的一种基于步进电机的控制方法的流程示意图；
图2为本技术实施例提供的一种基于步进电机的控制装置的结构示意图；图3为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
17.在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本技术的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本技术也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征a、b、c，另一个实施例包含特征b、d，那么本技术也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
18.下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本技术内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
19.参见图1，图1是本技术实施例提供的一种基于步进电机的控制方法的流程示意图。在本技术实施例中，所述方法包括：s101、检测步进电机的实时状态信息，当所述实时状态信息表征所述步进电机停止时，基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向预设的锁定位置移动。
20.本技术的执行主体可以是步进电机对应的控制器。
21.在本技术实施例中，由于步进电机的特性，传统的电机控制方式采用开环控制方式，这种控制方式由于控制电流和锁定电流是提前设置的，无法根据负载的变化而调节，从而会导致电机发热严重，造成不必要的能源消耗，而且开环控制对大负载的适应性很差，容易造成加速时失步。为了解决上述缺点，现有技术会采用了带编码器的闭环控制，即foc控制，该控制很好的实现了根据负载自动调节电流，对负载有很强的适应性，也解决了加速失步的问题，但是由于foc控制算法本身锁定是靠位置环、速度环、电流环三环控制的方式锁在一个位置，而步进电机的物理特性相当于电磁铁，正负极相互吸引，如果停在2级对之间，两边磁场都对转子有影响，不能保证相对静止的状态，从而出现锁定时容易抖动的问题，一般只能调节环路刚性来解决抖动问题。但环路刚性调低以后，又会产生锁定力较小，容易被负载带动的问题。
22.本技术基于上述分析考虑，针对foc控制步进电机的锁定方式进行优化。由于普通的foc控制，只能调节环路刚性来解决锁定力大的问题，但是调节高了容易出现抖动，导致锁定时位置误差变大。故本技术将利用开环锁定的优势对电机进行锁定，而为了避免开环控制方式中电流给定是固定的，不能随着负载的变化而自动增加，很容易引起失步的问题，将通过foc闭环，即闭环矢量控制来驱动电机向锁定位置的运动。
23.具体而言，控制器将对步进电机的实时状态信息进行检测，当步进电机在任意位置停止时，控制器所检测到的实时状态信息将会表征出步进电机停止的信息结果。此时控
制器将以foc闭环，即闭环矢量控制的方式对步进电机进行驱动，使其向预设的锁定位置移动，以此保证移动过程中负载的自动变化，避免出现失步。
24.在一种可实施方式中，所述基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，包括：基于所述锁定位置向所述步进电机发送初始电脉冲信号；持续获取所述步进电机的转子位置反馈数据，并确定所述步进电机的转子在当前时刻下的理论转子位置；基于所述理论转子位置与转子位置反馈数据生成调整电脉冲信号，并向所述步进电机发送所述调整电脉冲信号。
25.在本技术实施例中，闭环矢量控制会将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制，以此实现随负载变化的目的。
26.示例性的，理论转子位置可以根据角度观测模型获得反电动势后，基于反电动势计算得到。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。
27.根据角度观测模型获得的反电动势如下：其中，为q轴反电势估计值；为d轴反电势估计值。
28.步进电机的理论转子位置为：s102、当检测到所述步进电机到达所述锁定位置时，基于开环矢量控制驱动所述步进电机，用以锁定所述步进电机。
29.在本技术实施例中，通过获取步进电机的实时参数数据，能够对步进电机中转子的当前转子位置等数据进行检测与确定。当控制器基于当前转子位置判断出步进电机到达锁定位置后，将更换为通过开环矢量控制的方式对步进电机进行驱动，以此按电机的物理特性来控制锁定，保证电机能完全静止运动。
30.在一种可实施方式中，所述基于开环矢量控制驱动所述步进电机，包括：向所述步进电机发送预设的恒定电脉冲信号，用以使所述步进电机基于所述恒定
电脉冲信号控制转子的转子位置。
31.在本技术实施例中，对于开环矢量控制而言，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，不会根据电机的实际测量数据进行负反馈调节，进而能够在步进电机到达锁定位置后，依据恒定电脉冲信号来定量的控制转子的转子位置，进而锁定时不容易发生震荡，切锁定力较大。
32.s103、当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制。
33.在本技术实施例中，步进电机被锁定后，考虑到其还可能会受到外部负载力作用，进而使得步进电机偏离锁定位置，若在偏离后仍然继续通过开环矢量控制对电机进行驱动，则仍然会出现负载无法自动变化而失步的问题。因此，控制器会在步进电机被锁定后，通过传感器等方式持续监测其受到的外部负载力，并将外部负载力与此时开环矢量控制对应的电流控制下产生的锁定力进行比较，基于二者的差值来确定和调整针对步进电机的控制驱动模式。
34.在一种可实施方式中，步骤s103包括：当所述步进电机被锁定时，获取所述步进电机的锁定力，并持续监测所述步进电机的外部负载力；计算所述外部负载力与锁定力的差值，当所述差值为负时，使针对所述步进电机的控制驱动模式保持为所述开环矢量控制；当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制。
35.在本技术实施例中，通过外部负载力与锁定力的差值计算，若差值为负，即认为外部负载力比锁定力小，电机不会在外部负载力的作用下产生偏离移动，故控制器会将针对步进电机的控制驱动模式保持为开环矢量控制。若差值不为负，即认为外部负载力比锁定力大，电机会出现偏离，此时控制器会将控制驱动模式改为pid闭环控制，这样随着电机偏离锁定位置越远，电流就越大，直到达到最大电流，实现了随负载变化而自动增加。
36.其中，pid闭环控制是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，能够适用于本技术中外部负载力不确定，对被控对象模型了解不清楚的场合。计算过程如下：其中，为比例增益，与比例度成倒数关系，为积分时间常数，为微分时间常数，为控制对象即步进电机的输出信号，为给定值与测量值之差。
37.在一种可实施方式中，所述当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制之后，还包括：确定所述锁定位置与相邻级对位置之间的标准偏离角度，实时检测所述步进电机的当前偏离角度；当所述当前偏离角度不大于所述标准偏离角度时，维持所述控制驱动模式为所述pid闭环控制；
当所述当前偏离角度大于所述标准偏离角度时，基于所述闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向所述锁定位置移动。
38.在本技术实施例中，通过pid闭环控制的方式还会遇到一个问题，步进电机的级对表示有一个磁场，分别为一个n极一个s极，如果步进电机随着偏离锁定位置到下一个级对时，及时再增加电流也是输出不了力矩了，进而依旧造成了失步。基于此，在切换为pid闭环控制后，控制器将会对步进电机的当前偏离角度进行实时检测，并与标准偏离角度进行比较。当当前偏离角度大于标准偏离角度时，自动切换为foc闭环控制，这样当负载变轻时，能够自动回到锁定位置。无论是pid闭环控制还是闭环矢量控制，都会使得电流随着角度变化而增大，使得需要很大的力才能拧动锁定的电机。
39.在一种可实施方式中，所述当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制之后，还包括：统计所述差值不为负的偏转时长，当所述偏转时长大于预设时长时，生成失步报警信息，所述失步报警信息用以表征所述步进电机的当前负载大于电机扭矩。
40.在本技术实施例中，当步进电机长时间偏离锁定位置时，控制器将会触发失步报警，以此告知用户，当前负载已经大于电机扭矩。
41.下面将结合附图2，对本技术实施例提供的基于步进电机的控制装置进行详细介绍。需要说明的是，附图2所示的基于步进电机的控制装置，用于执行本技术图1所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本技术实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本技术图1所示的实施例。
42.请参见图2，图2是本技术实施例提供的一种基于步进电机的控制装置的结构示意图。如图2所示，所述装置包括：第一检测模块201，用于检测步进电机的实时状态信息，当所述实时状态信息表征所述步进电机停止时，基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向预设的锁定位置移动；第二检测模块202，用于当检测到所述步进电机到达所述锁定位置时，基于开环矢量控制驱动所述步进电机，用以锁定所述步进电机；调控模块203，用于当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制。
43.在一种可实施方式中，第一检测模块201包括：第一发送单元，用于基于所述锁定位置向所述步进电机发送初始电脉冲信号；持续获取单元，用于持续获取所述步进电机的转子位置反馈数据，并确定所述步进电机的转子在当前时刻下的理论转子位置；第二发送单元，用于基于所述理论转子位置与转子位置反馈数据生成调整电脉冲信号，并向所述步进电机发送所述调整电脉冲信号。
44.在一种可实施方式中，第二检测模块202包括：第三发送单元，用于向所述步进电机发送预设的恒定电脉冲信号，用以使所述步进电机基于所述恒定电脉冲信号控制转子的转子位置。
45.在一种可实施方式中，调控模块203包括：
负载检测单元，用于当所述步进电机被锁定时，获取所述步进电机的锁定力，并持续监测所述步进电机的外部负载力；第一计算单元，用于计算所述外部负载力与锁定力的差值，当所述差值为负时，使针对所述步进电机的控制驱动模式保持为所述开环矢量控制；切换单元，用于当所述差值不为负时，将针对所述步进电机的控制驱动模式切换为pid闭环控制。
46.在一种可实施方式中，调控模块203还包括：角度检测单元，用于确定所述锁定位置与相邻级对位置之间的标准偏离角度，实时检测所述步进电机的当前偏离角度；第一判断单元，用于当所述当前偏离角度不大于所述标准偏离角度时，维持所述控制驱动模式为所述pid闭环控制；第二判断单元，用于当所述当前偏离角度大于所述标准偏离角度时，基于所述闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向所述锁定位置移动。
47.在一种可实施方式中，所述装置还包括：统计模块，用于统计所述差值不为负的偏转时长，当所述偏转时长大于预设时长时，生成失步报警信息，所述失步报警信息用以表征所述步进电机的当前负载大于电机扭矩。
48.本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列（field－programmable gate array，fpga）、集成电路（integrated circuit，ic）等。
49.本技术实施例的各处理单元和/或模块，可通过实现本技术实施例所述的功能的模拟电路而实现，也可以通过执行本技术实施例所述的功能的软件而实现。
50.参见图3，其示出了本技术实施例所涉及的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可以用于实施图1所示实施例中的方法。如图3所示，电子设备300可以包括：至少一个中央处理器301，至少一个网络接口304，用户接口303，存储器305，至少一个通信总线302。
51.其中，通信总线302用于实现这些组件之间的连接通信。
52.其中，用户接口303可以包括显示屏（display）、摄像头（camera），可选用户接口303还可以包括标准的有线接口、无线接口。
53.其中，网络接口304可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如wi-fi接口）。
54.其中，中央处理器301可以包括一个或者多个处理核心。中央处理器301利用各种接口和线路连接整个电子设备300内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器305内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器305内的数据，执行终端300的各种功能和处理数据。可选的，中央处理器301可以采用数字信号处理（digital signal processing，dsp）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）、可编程逻辑阵列（programmable logic array，pla）中的至少一种硬件形式来实现。中央处理器301可集成中央中央处理器（central processing unit，cpu）、图像中央处理器（graphics processing unit，gpu）和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，cpu主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解
调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到中央处理器301中，单独通过一块芯片进行实现。
55.其中，存储器305可以包括随机存储器（random access memory，ram），也可以包括只读存储器（read-only memory）。可选的，该存储器305包括非瞬时性计算机可读介质（non-transitory computer-readable storage medium）。存储器305可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器305可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令（比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等）、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器305可选的还可以是至少一个位于远离前述中央处理器301的存储装置。如图3所示，作为一种计算机存储介质的存储器305中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及程序指令。
56.在图3所示的电子设备300中，用户接口303主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而中央处理器301可以用于调用存储器305中存储的基于步进电机的控制应用程序，并具体执行以下操作：检测步进电机的实时状态信息，当所述实时状态信息表征所述步进电机停止时，基于闭环矢量控制驱动所述步进电机，用以使所述步进电机向预设的锁定位置移动；当检测到所述步进电机到达所述锁定位置时，基于开环矢量控制驱动所述步进电机，用以锁定所述步进电机；当所述步进电机被锁定时，持续监测所述步进电机的外部负载力，并基于所述外部负载力与锁定力的差值调控针对所述步进电机的控制驱动模式，所述控制驱动模式包括pid闭环控制、所述开环矢量控制。
57.本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、dvd、cd-rom、微型驱动器以及磁光盘、rom、ram、eprom、eeprom、dram、vram、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统（包括分子存储器ic），或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
58.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
59.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
60.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可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服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
61.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。
62.另外，在本技术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，也可以采用软件功能单元的形式实现。
63.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或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一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器（read-only memory， rom）、随机存取存储器（random access memory，ram）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
64.本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器（read-only memory， rom）、随机存取器（random access memory，ram）、磁盘或光盘等。
65.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。