一种步进电机控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及体外诊断技术领域，特别涉及一种步进电机控制方法及装置。该方法为：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速‑输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速‑输出力矩曲线公式，并基于所述转速‑输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速‑加速度曲线；基于所述转速‑加速度曲线，生成相应的时间‑转速曲线，并将所述时间‑转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间‑转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制，采用上述方法，提高加速效率的同时，避免了步进电机在高速运转时失步现象的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种步进电机控制方法及装置
本专利技术涉及体外诊断
，特别涉及一种步进电机控制方法及装置。
技术介绍
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机在运转过程中，需避免失步现象的发生，实现步进电机的精准控制，而步进电机在运转过程中，需时刻保证步进电机当前转速下的输出力矩大于负载力矩，才是避免步进电机产生失步的唯一条件。所谓失步，指的是步进电机在运转时运转的步数不等于理论上的步数。目前，在三相电机或直流电机的控制过程中，控制器可以通过实时采集电机绕组的电压、电流信息，通过电机数学模型来计算出电机当前输出力矩，从而调整电机的转速，以控制电机按照预期运转。然而，步进电机作为较低成本的开环位置的控制电机，控制器一般不具备绕组电压、电流信息实时采集的功能，步进电机的控制器一般为固定电压提供，绕组电流为恒流模式控制，通过接收控制脉冲来控制电机转动，显然，步进电机的控制方式与三相电机/直流电机的控制方式有本质上的区别，无法使用三相电机/直流电机的电机数学模型对步进电机进行控制。那么，现有的步进电机控制技术中，步进电机加减速控制方法是按照某种固定形态的曲线进行控制的，如梯形一次函数加减速曲线、S型二次函数加减速曲线、指数函数加减速曲线等，为了保证步进电机在运转过程中避免失步现象的发生，采用常规平滑曲线对步进电机进行加减速控制，当步进电机型号发生变化/同一步进电机的负载发生变化时，通过调整加减速参数重新确定出能避免步进电机在运转过程中发生失步现象的曲线。然而，目前通过常规的平滑曲线对步进电机进行控制的方式，未考虑步进电机的输出力矩的变化特性，无法充分利用步进电机的输出力矩，在加速过程中，达到最大速度所需的时间较长，从而导致加速效率低，且现有的步进电机控制方式无法保证步进电机在高速运转时，而不产生失步的问题。
技术实现思路
目前，在用于体外诊断的血液分析仪器中，样本管是由机械抓手进行抓取，机械转手的上下运动的控制由步进电机带动皮带进行。由于机械抓手运动速度较快，体积较小，运动过程中容易产生失步，且由于空间限制，无法增加编码器等位置传感器进行失步后的补偿。本专利技术实施例的目的是提供一种步进电机控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的无法充分利用步进电机的输出力矩，在加速过程中，达到最大速度所需的时间较长，加速效率低，且无法保证步进电机在高速运转时，而不产生失步的问题。本专利技术实施例中提供的具体技术方案如下：一种步进电机控制方法，应用于血液分析仪器中，包括：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。较佳的，预先建立步进电机的转速-输出力矩数学模型，具体包括：根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：公式四：其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：公式五：较佳的，基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线，具体包括：将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：公式六：在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。较佳的，确定所述总负载力矩，具体包括：在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：公式八：MS＝(ML+MK)×KS；在所述步进电机减速运转过程中，采用公式九计算总负载力矩：公式九：MS＝(ML-MK)×KS，其中，MS为总负载力矩，ML为负载产生的力矩，MK为摩擦和/或克服重力产生的力矩，KS为安全系数，KS＞1。较佳的，基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，具体包括：在所述步进电机加速运转过程中，从所述步进电机开始运转开始，基于预设的计算时间点的间隔，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；当加速度为0或当前转速达到预设转速时，将所述步进电机加速运转过程中最后一次计算出的转速作为所述步进电机恒速运转的转速；在所述步进电机减速运转过程中，根据当前计算时间点的转速和所述转速-加速度曲线，确定出相应的加速度，并基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速；基于每一计算时间点和所述每一计算时间点相对应的转速，生成相应的时间-转速曲线。较佳的，基于所述当前计算时间点的转速，加速度，和计算时间点的间隔，确定出下一计算时间点的转速，具体包括：采用公式十计算下一计算时间点的转速：公式十：n(t+1)＝n(t)+a(n)×T，其中，n(t+1)为下一计算时间点的转速，n(t)为当前计算时间点的转速，a(n)为当前计算时间点的转速相对应的加速度，T为两个相邻计算时间点的间隔。较佳的，将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，具体包括：基于预设的时间间隔对所述时间-转速曲线进行离散化处理；生成时间轴上各时间点相对应的脉冲频率。一种步进电机控制装置，应用于血液分析仪器中，包括：第一生成单元，用于将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种步进电机控制方法，应用于血液分析仪器中，其特征在于，包括：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速‑输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速‑输出力矩曲线公式，并基于所述转速‑输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速‑加速度曲线；基于所述转速‑加速度曲线，生成相应的时间‑转速曲线，并将所述时间‑转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间‑转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种步进电机控制方法，应用于血液分析仪器中，其特征在于，包括：将步进电机的特性参数和系统运行参数代入预先建立的转速-输出力矩数学模型中，生成所述步进电机的转速-输出力矩曲线公式，并基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线；基于所述转速-加速度曲线，生成相应的时间-转速曲线，并将所述时间-转速曲线离散化，生成相应的控制信号，其中，所述控制信号为所述时间-转速曲线离散化后，时间轴上各时间点分别对应的脉冲频率；基于所述控制信号对所述步进电机进行控制。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先建立步进电机的转速-输出力矩数学模型，具体包括：根据电磁感应原理采用公式一计算所述步进电机的输出力矩：公式一：MO(I)＝i×B×LM×D，其中，MO(I)为所述步进电机绕组电流为i时的输出力矩，i为所述步进电机绕组电流，B为所述步进电机励磁系数，LM为所述步进电机绕组有效长度，D所述步进电机绕组力矩有效力臂；采用公式二计算所述步进电机的感应电动势：公式二：ES(n)＝B×LM×2×n×D×π，其中，ES(n)为所述步进电机转速为n时的感应电动势，n为所述步进电机转速；采用公式三计算所述步进电机的绕组感抗：公式三：Ri(n)＝2×π×f(n)×L，其中，Ri(n)为所述步进电机转速为n时的绕组阻抗，f(n)＝k×n，为电流频率，与转速成正比，k为频率系数，等于所述步进电机驱动器细分数与斩波频率的乘积；采用公式四计算所述步进电机的绕组电流：公式四：其中，U为所述步进电机供电电压，R为所述步进电机绕组电阻；将公式二，公式三和公式四代入公式一中，得到所述步进电机的转速-输出力矩数学模型：公式五：3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述转速-输出力矩曲线公式，总负载力矩和负载的转动惯量，生成所述步进电机的转速-加速度曲线，具体包括：将所述步进电机期望运行的转速离散成若干目标转速，并通过公式五分别计算各目标转速相对应的输出力矩，得到相对应的转速-输出力矩曲线；采用公式六分别计算所述步进电机在加速运转过程中目标转速相对应的加速度：公式六：在所述步进电机恒速运转过程中，加速度为0，其中，在所述步进电机恒速运转时，MO(n)≥KS；采用公式七分别计算所述步进电机在减速运转过程中目标转速相对应的加速度：公式七：其中，a(n)为所述步进电机转速为n时的加速度，KS为总负载力矩，Ilo为负载的转动惯量；基于各目标转速和各目标转速分别对应的加速度，得到相应的转速-加速度曲线。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述总负载力矩，具体包括：在所述步进电机加速和/或恒速运转过程中，采用公式八计算总负载力矩：公式八：MS＝(ML+MK)×KS；在所述步进电机减速运...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建恒，
申请(专利权)人：迈克医疗电子有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51