【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，具体为一种高效同步控制的步进电机控制算法。
技术介绍
1、步进电机，作为一种输入与输出数字脉冲相对应的增量运动执行元件，具有快速启动、停止、正反转及变速、无累积误差的精确步进以及可以用数字量直接控制等优点，这些特性使得步进电机在舞台灯光控制中发挥着关键作用，具体来说，步进电机在舞台灯上的应用主要体现在以下几个方面：通过控制步进电机的转动，可以实现舞台灯光的水平旋转或垂直摆动，从而调整灯光的照射方向，满足不同场景下的照明需求，步进电机不仅用于控制灯光的方向，还用于控制颜色过滤器的转动，通过转动颜色过滤器，可以实现灯光的颜色变化，为舞台表演增添色彩，步进电机的无累积误差的精确步进特性，保证了灯光控制的精准度，使得灯光效果更加精确地符合导演和舞台设计师的要求，步进电机受工作环境的影响较小，能够在不同的工业控制过程中及仪表中得到广泛应用，包括舞台灯光控制，适应性强，满足各种复杂的舞台灯光需求。
2、典型的舞台实物，灯头在x轴平移轴，pan方向旋转范围为0-540°，y轴倾斜轴，tilt方向旋转0-270°，通常控台通过dmx协议向舞台灯控制器下发x轴、y轴需要定位到的目标位置指令，控制器根据指令及当前两个轴的状态，设计运动曲线，控制驱动器驱动两个轴的混合步进电机，按照一定的旋转速度，实现灯头运动控制。
3、但是，传统的步进电机控制存在以下缺点：
4、由于舞台灯灯头控制器件空间狭小，运动控制需求具有控制指令频次高几时毫秒执行一次运动需求、定位随意的特殊性，同时灯光远距离照射对灯头的运动姿
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种高效同步控制的步进电机控制算法，以解决上述
技术介绍
中提出的由于舞台灯灯头控制器件空间狭小，运动控制需求具有控制指令频次高几十毫秒执行一次运动需求、定位随意的特殊性，同时灯光远距离照射对灯头的运动姿态具有放大特点，传统的控制方法无法对舞台灯的x、y轴的两个步进电机进行精确控制的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高效同步控制的步进电机控制算法，包括以下步骤：
3、步骤一、运动规划层：控制算法系统对步进电机的x轴运动和y轴运动进行规划；
4、步骤二、驱动层：控制算法系统对运动规划后的步进电机进行优化和调整；
5、步骤三、执行层：控制算法系统依据控制结果驱动步进电机执行对应的运动。
6、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤一中控制算法系统包括运动规划平台、svpwm驱动、功率变换、电气参数采集平台、检测平台和估计平台，所述运动规划平台分别对x轴运动规划和y轴运动规划，所述svpwm驱动优化电机控制，所述功率变换将直流电压逆变为交流电压，以及对电机电流进行控制，从而实现电机的转矩、转速和旋转方向的控制，所述检测平台分别对步进电机电流检测和电压检测，所述估计平台分别对步进电机的位置和速度进行估计，所述电气参数采集平台对步进电机的电气参数采集。
7、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述运动规划平台包括梯形加减速算法、spta算法、pwm专用通道加减速算法、特征拟合算法、dma算法、从定时器法和斩波与细分算法，所述梯形加减速算法直接从勾勒加速度曲线入手，进行数值积分得出速度轮廓，进而转换为对应的定时器预设值，从而控制电机的速度变化，所述spta算法根据用户输入的加速度和速度以及总脉冲数，自动计算加减速过程所需的定时器装载值，所述pwm专用通道加减速算法采用单片机控制步进电机的方法是在定时器的中断处理函数中，对于特定的io口进行操作来产生脉冲进行计算，所述特征拟合算法充分利用所选的步进电机特性曲线来选择加减速轮廓，所述dma算法采用新的处理方式，只有在需要改变步进脉冲频率的时候再进入中断，这样提高cpu的效率，所述从定时器法使用两个定时器，一个输出pwm，一个工作在计数器模式把pwm输出的同时，让计数器对其进行计数，从而释放了总线，所述斩波与细分算法通过pwm斩波器实现恒流输出，减少电机过热和损坏的风险。斩波频率的选择影响电流波纹和电机性能，通常在50-100khz的范围内进行调整。
8、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述检测平台包括电流检测模块和电压检测模块，所述电流检测模块对步进电机的电流进行检测，所述电压检测模块对步进电机的电压进行检测，所述电流检测模块包括直接测量单元、电阻测量单元和霍尔效应传感器测量单元，所述直接测量单元通过在步进电机驱动器输出端接入电流表直接测量相电流，所述电阻测量单元在电机线圈的一端串联一个小电阻，通过测量该电阻上的电压降来计算相电流，所述霍尔效应传感器测量单元是利用霍尔效应原理，通过测量电机线圈周围的磁场强度来间接测量相电流，所述电压检测模块包括恒电压驱动单元、二电压控制单元和速度加速度控制单元，所述恒电压驱动单元通过恒电压方式进行，通过串联外部电阻来限制绕组流过的电流，防止电流超过额定值，从而保护电机，所述二电压控制单元在驱动步进电机时，使用不同的电压进行控制，所述速度加速度控制单元通过控制驱动电压的大小和脉冲频率，调节步进电机的转速和加速度，高电压和高频率脉冲会使电机转速加快，而低电压和低频率脉冲则会使电机转速减慢。
9、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述估计平台包括位置估计模块和速度估计模块，所述位置估计模块对步进电机的位置进行估计，所述速度估计模块对步进电机的速度进行估计，所述位置估计模块包括预定位估计单元和卡尔曼滤波估计单元，所述预定位估计单元在无位置传感器的电机控制系统中，预定位估计算法用于估算动子的初始位置，通过施加初始电压，使动子运动到某一位置附近，然后根据一定的方法与原则对动子位置进行估计，所述卡尔曼滤波估计单元使用卡尔曼滤波器对定子电流进行估计，进而估算出转子的位置和速度，通过建立数学模型，利用定子电流的噪声测量来估计定子电流以及转子位置和速度，所述速度估计模块包括扩展卡尔曼滤波估计单元和扩展滤波单元，所述扩展卡尔曼滤波估计单元通过监测位置来实现步进驱动系统的速度反馈，所述扩展滤波单元通过建立两相混合式步进电机及其细分驱动的数学模型，并在matlab/simulink环境中进行仿真和实验验证。
10、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述电气参数采集平台包括步距角采集模块、转矩采集模块、惯量采集模块和转速采集模块，所述步距角采集模块接收一个控制脉冲时转子转过的角度，所述转矩采集模块对电机输出轴产生的力矩采集，所述惯量采集模块对电机转子在转动时所具有的动能采集，所述转速采集模块对单位时间内转过的圈数或步数采集。
11、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述功率变换具体为步进电机的功率计算通常涉及到力矩m和转速n，其中功率(p)的计算公式表示为：p＝ω·m，其中，p表示功率，单位为瓦特(w)；ω表示每秒角速度，单位为弧度每秒(rad/s)；n表示每分钟转速，单位为转每分钟(r/min)；m表示力矩，单位为牛本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述步骤一中控制算法系统包括运动规划平台、SVPWM驱动、功率变换、电气参数采集平台、检测平台和估计平台，所述运动规划平台分别对X轴运动规划和Y轴运动规划，所述SVPWM驱动优化电机控制，所述功率变换将直流电压逆变为交流电压，以及对电机电流进行控制，从而实现电机的转矩、转速和旋转方向的控制，所述检测平台分别对步进电机电流检测和电压检测，所述估计平台分别对步进电机的位置和速度进行估计，所述电气参数采集平台对步进电机的电气参数采集。
3.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述运动规划平台包括梯形加减速算法、SPTA算法、PWM专用通道加减速算法、特征拟合算法、DMA算法、从定时器法和斩波与细分算法，所述梯形加减速算法直接从勾勒加速度曲线入手，进行数值积分得出速度轮廓，进而转换为对应的定时器预设值，从而控制电机的速度变化，所述SPTA算法根据用户输入的加速度和速度以及总脉冲数，自动计算加减速
4.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述检测平台包括电流检测模块和电压检测模块，所述电流检测模块对步进电机的电流进行检测，所述电压检测模块对步进电机的电压进行检测，所述电流检测模块包括直接测量单元、电阻测量单元和霍尔效应传感器测量单元，所述直接测量单元通过在步进电机驱动器输出端接入电流表直接测量相电流，所述电阻测量单元在电机线圈的一端串联一个小电阻，通过测量该电阻上的电压降来计算相电流，所述霍尔效应传感器测量单元是利用霍尔效应原理，通过测量电机线圈周围的磁场强度来间接测量相电流，所述电压检测模块包括恒电压驱动单元、二电压控制单元和速度加速度控制单元，所述恒电压驱动单元通过恒电压方式进行，通过串联外部电阻来限制绕组流过的电流，防止电流超过额定值，从而保护电机，所述二电压控制单元在驱动步进电机时，使用不同的电压进行控制，所述速度加速度控制单元通过控制驱动电压的大小和脉冲频率，调节步进电机的转速和加速度，高电压和高频率脉冲会使电机转速加快，而低电压和低频率脉冲则会使电机转速减慢。
5.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述估计平台包括位置估计模块和速度估计模块，所述位置估计模块对步进电机的位置进行估计，所述速度估计模块对步进电机的速度进行估计，所述位置估计模块包括预定位估计单元和卡尔曼滤波估计单元，所述预定位估计单元在无位置传感器的电机控制系统中，预定位估计算法用于估算动子的初始位置，通过施加初始电压，使动子运动到某一位置附近，然后根据一定的方法与原则对动子位置进行估计，所述卡尔曼滤波估计单元使用卡尔曼滤波器对定子电流进行估计，进而估算出转子的位置和速度，通过建立数学模型，利用定子电流的噪声测量来估计定子电流以及转子位置和速度，所述速度估计模块包括扩展卡尔曼滤波估计单元和扩展滤波单元，所述扩展卡尔曼滤波估计单元通过监测位置来实现步进驱动系统的速度反馈，所述扩展滤波单元通过建立两相混合式步进电机及其细分驱动的数学模型，并在Matlab/Simulink环境中进行仿真和实验验证。
6.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述电气参数采集平台包括步距角采集模块、转矩采集模块、惯量采集模块和转速采集模块，所述步距角采集模块接收一个控制脉冲时转子转过的角度，所述转矩采集模块对电机输出轴产生的力矩采集，所述惯量采集模块对电机转子在转动时所具有的动能采集，所述转速采集模块对单位时间内转过的圈数或步数采集。
7.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述功率变换具体为步进电机的功率计算通常涉及到力矩M和转速n，其中功率(P)的计算公式表示为：P＝Ω·M，其中，P表示功率，单位为瓦特(W)；Ω表示每秒角速度，单...
【技术特征摘要】
1.一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述步骤一中控制算法系统包括运动规划平台、svpwm驱动、功率变换、电气参数采集平台、检测平台和估计平台，所述运动规划平台分别对x轴运动规划和y轴运动规划，所述svpwm驱动优化电机控制，所述功率变换将直流电压逆变为交流电压，以及对电机电流进行控制，从而实现电机的转矩、转速和旋转方向的控制，所述检测平台分别对步进电机电流检测和电压检测，所述估计平台分别对步进电机的位置和速度进行估计，所述电气参数采集平台对步进电机的电气参数采集。
3.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述运动规划平台包括梯形加减速算法、spta算法、pwm专用通道加减速算法、特征拟合算法、dma算法、从定时器法和斩波与细分算法，所述梯形加减速算法直接从勾勒加速度曲线入手，进行数值积分得出速度轮廓，进而转换为对应的定时器预设值，从而控制电机的速度变化，所述spta算法根据用户输入的加速度和速度以及总脉冲数，自动计算加减速过程所需的定时器装载值，所述pwm专用通道加减速算法采用单片机控制步进电机的方法是在定时器的中断处理函数中，对于特定的io口进行操作来产生脉冲进行计算，所述特征拟合算法充分利用所选的步进电机特性曲线来选择加减速轮廓，所述dma算法采用新的处理方式，只有在需要改变步进脉冲频率的时候再进入中断，这样提高cpu的效率，所述从定时器法使用两个定时器，一个输出pwm，一个工作在计数器模式把pwm输出的同时，让计数器对其进行计数，从而释放了总线，所述斩波与细分算法通过pwm斩波器实现恒流输出，减少电机过热和损坏的风险。斩波频率的选择影响电流波纹和电机性能，通常在50-100khz的范围内进行调整。
4.根据权利要求2所述的一种高效同步控制的步进电机控制算法，其特征在于：所述检测平台包括电流检测模块和电压检测模块，所述电流检测模块对步进电机的电流进行检测，所述电压检测模块对步进电机的电压进行检测，所述电流检测模块包括直接测量单元、电阻测量单元和霍尔效应传感器测量单元，所述直接测量单元通过在步进电机驱动器输出端接入电流表直接测量相电流，所述电阻测量单元在电机线圈的一端串联一个小电阻，通过测量该电阻上的电压降来计算相电流，所述霍尔效应传感器测量单元是利用霍尔效应原理，通过测量电机线圈周围的磁场强度来间接测量相电流，所述电压检测模块包括恒电压驱动单元、二电压控制单元和速度加速度控制单元，所述恒电压驱动单元通过恒电压方式进行，通过串联外部电阻来限制绕组流过的电流，防止电流超过额定值，从而保护电机，所述二电压控制单元在驱动步进电机时，使用不同的电...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏百战，吕燚，
申请(专利权)人：电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：
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