【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微步电机控制方法，更具体地，涉及一种机械臂的微步电机的路径规划控制方法。
技术介绍
1、在机械臂控制中，精确的位置控制和平滑的运动是非常重要的。步进电机可以通过精确的步进角度控制机械臂关节的位置，从而实现精确的操作。步进电机的分辨率相对较高，能够提供较精确的位置控制，适用于需要高精度定位的眼科手术操作等。然而，传统的步进电机控制方法可能导致一些问题，如共振、震动和噪音。这些问题主要是由于步进电机在每个步进角度之间突然转换，导致运动不平滑。
2、微步电机还具有高速运动和高精度定位的优势，微步电机可以精确控制机械臂关节的位置和运动，使机械臂能够准确地定位和执行各种任务。微步电机还具有响应速度快、功耗优化等特点，能够提高机械臂的工作效率和生产能力。微步电机通过将步进角度进一步分解为微小的步进微分角度，实现更平滑的运动，减少振动和噪音。因此微步电机的应用非常广泛，特别是在需要高精度控制和平滑运动的机械臂中。但目前的微步电机的控制方法中，路径规划不够精细和精确，仍存在一定震动和振动，不能满足如手术机器人机械臂等精密操作的需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中步进电机控制方法的路径规划不够精细导致机械臂在移动过程中的稳定性和精确性的不足，提供一种步进电机路径规划控制方法。
2、本专利技术的目的可采用以下技术方案来达到：
3、一种机械臂的微步电机的路径规划控制方法，包括如下步骤：
4、s1：控制器接收到路径规划信
5、s2：完成所有关节的初始化后，控制器将路径规划的block数据打包发送给执行器，每个block数据包括步进电机在这个block中转动的微步数s、该block中步进电机的最终速度v2、以及该block持续的时间t0；
6、s3：规划器对接受到的数据进行检查，如block不合法，则规划器返回异常信息，如block合法，则先检查电机的速度方向是否改变，如没有改变则将block正常插入到环形缓存中，如方向改变则将该block以0速度划分为速度分别正和负的两个block插入到环形缓存中；
7、s4：当block插入到环形缓存中，规划器读取环形缓存中的block数据并计算该block的加速度，以及该block每一个微步pwm脉冲产生的延时周期；
8、s5：根据计算出的延时周期，利用定时器通过周期性中断产生用于控制微步电机的pwm脉冲从而控制微步电机的速度变化。
9、路径规划信号为上位机运行的机械臂轨迹规划算法得到机械臂接下来的路径曲线以及路径规划信号。本专利技术对路径规划信号中提供机械臂上每个关节的路径曲线，通过方法规划，控制机械臂上的微步电机实现在既定的时间达到既定的位置，角度，和速度，从而实现机械臂精确的操作。
10、控制器的作用主要是发送是否进入规划模式的信号量，路径规划曲线的关键点，以及接收来自电机的反馈信息。执行器模块的作用主要是解析来自控制器的数据，很多时候控制器是在性能较好的上位机上运行的，所以需要通过数据发送到下位机来完成指令。当执行器解析完成后判断是否进入规划模式，如果进入规划模式那么就将从控制器接收到的block数据发送给规划器。规划器接的一个线程接收执行器发送的block数据，然后检查block中发送的微步数s，最终速度v2以及block的持续时间t0是否合法，主要检查block时间t0应该大于0，v2应该小于电机最大速度，如果合法则将block数据插入到环形缓存中。规划器的另一个线程不断读取环形缓存中的block数据。由于参数计算过程比较慢，规划器的一个线程负责block的插入，另一个字线程在读取缓存中的block进行参数计算，这样双线程的工作效率更高。然后规划器的参数计算函数根据这些数据计算该block内在给定s和t0的情况下达到速度v2所需要的电机控制参数，根据规划器中计算出的电机控制参数在推算出下一个微步所需要的pwm脉冲延时，从而控制电机的转速。然后在下个定时器中断中调用pwm脉冲发生器控制电机运动。电机控制器通过硬件中断读取环形缓存中的block数据，如果没有block电机就等待，如果读取到合法的block数据，根据block中计算的参数就可以控制电机进行运动。
11、进一步的，所述步骤s5中，计算加速度时，当步进电机从速度v1匀变速变化到指定的速度v2所需要的步数s0和给定的步数s之间不相同时，对该block微步电机的运动进行规划：
12、v1＜v2时：
13、如图2所示，当给定的微步数s大于全程匀加速的微步数s0时，先做匀加速运动到速度v2，再做匀速运动：
14、其中，匀速运动的时间：匀加速运动的加速度：
15、如图3所示，当给定的微步数s小于全程匀加速的微步数s0时，先做匀速运动，再做匀加速运动到速度v2：
16、其中，匀速运动的时间：匀加速运动的加速度：
17、v1＞v2时：
18、如图4所示，当给定的微步数s小于全程匀加速的微步数s0时，先做匀减速运动到速度v2，再做匀速运动：
19、其中，匀速运动的时间：匀减速运动的加速度：
20、在一个block中，需要时间t0内，步进电机需要转动微步数s，完成该微步数的同时还要从该block的初始速度v1变化到v2，因此，需要对每个block的运动进行规划，本专利技术采用匀变速和匀速运动相结合的分段运动，在t1时间内匀变速运动，其中加速度为a，在t2时间均速运动，t0＝t1+t2。
21、进一步的，所述步骤s5中，计算延时周期时，每一个微步i为了达到对应的速度vi产生pwm所需要的延时周期pi，是由定时器频率f和电机速度vi共同决定的，即因此，需要先计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度vi，然后计算每个微步的延时周期pi。
22、进一步的，所述步骤s5中，计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度vi的方式如下：
23、
24、在匀加速运动中，v＝v0+at，其中s′为步进电机走过的微步数，v0为该微步的初始速度，v为走过微步数s′后的目标速度。联立两式可得：由此可见，对于每一个微步i，s′＝1，因此该微步完成后的速度其中，vi-1为该微步的初始速度或上一微步完成后的速度。
25、进一步的，所述步骤s5中，计算每个微步的延时周期pi过程如下：
26、
27、由与可得：
28、
29、所述步骤s5中，计算每个微步的延时周期pi时，利用泰勒公式当-1<n≤1，令
30、则pi可以简化为：
31、pi＝pi-1(1+mpi-1pi-1)
32、其中，当处于加速阶段当处于匀速阶段m＝0，当处于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，计算加速度时，当步进电机从速度V1匀变速变化到指定的速度V2所需要的步数S0和给定的步数S之间不相同时，对该block微步电机的运动进行规划：
3.根据权利要求2所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，计算延时周期时，每一个微步i为了达到对应的速度Vi产生PWM所需要的延时周期Pi，是由定时器频率F和电机速度Vi共同决定的，即因此，需要先计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度Vi，然后计算每个微步的延时周期Pi。
4.根据权利要求3所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度Vi的方式如下：
5.根据权利要求4所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，计算每个微步的延时周期Pi过程如下：
6.根据权利要求5所述的机械臂的微步电机
7.根据权利要求1至6任意一项所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制器将block数据发送给执行器时，利用CAN信息帧将block数据打包发送，CAN信息帧的格式包括帧ID和block数据，其中帧ID为0xA+一位关节编号，block数据的前4个字节数据共同组成一个32位int数据，表示S；第5和第6位，共同组成一个16位int数据，表示V2；第7和第8位共同组成一个16位uint数据，表示t0。
8.根据权利要求7所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制器将路径规划的block数据打包发送给执行器，发送顺序如下：先将机械臂上每个关节的第一个block先后发送，然后将机械臂上每个关节的第二个block先后发送，再将机械臂上每个关节的下一个block先后发送，直至每个关节的最后一个block发送。
9.根据权利要求1至6任意一项所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用定时器控制微步电机的速度时，在规划模式下，定时器中断调用微步电机控制函数后，读取环形缓存中的block数据，如果环形缓存中没有block则等待下一个中断周期，继续读取block数据；
10.根据权利要求9所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用2k微步控制正余弦信号来驱动微步电机，其中，5≤k≤7。
...【技术特征摘要】
1.一种机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，计算加速度时，当步进电机从速度v1匀变速变化到指定的速度v2所需要的步数s0和给定的步数s之间不相同时，对该block微步电机的运动进行规划：
3.根据权利要求2所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，计算延时周期时，每一个微步i为了达到对应的速度vi产生pwm所需要的延时周期pi，是由定时器频率f和电机速度vi共同决定的，即因此，需要先计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度vi，然后计算每个微步的延时周期pi。
4.根据权利要求3所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，计算出每一个微步i需要达到对应的微步电机的速度vi的方式如下：
5.根据权利要求4所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，计算每个微步的延时周期pi过程如下：
6.根据权利要求5所述的机械臂的微步电机的路径规划控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，计算每个微步的延时周期pi时，利用泰勒公式当-1<n≤1，令
7.根据权利要求1至6任意一项所述的机械臂的微步电机的路径规划控...
【专利技术属性】
技术研发人员：晏丕松，林生智，
申请(专利权)人：广州市微眸医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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