一种流量计的步进电机控制处理方法和系统与流程

1.本技术涉及到流量计领域，具体而言，涉及一种流量计的步进电机控制处理方法和系统。


背景技术：

2.流量计控制器主要应用于芯片制造、制药和食品加工等行业，解决高精度小流量控制(控制精度1ml/min量级)、小体积便于集成，使用寿命长等设计需求。
3.由于行业需求所致，流量计阀门与被控液体接触，不能对其产生污染，液体阀门主要部件采用pfa或ptfe等无污染材质制造，通用的设计结构为螺杆推动薄膜调节阀门间隙，实现对被控液体进行流量控制，控制的时候一般直接根据需要的流量进行控制，这种控制方式存在不精确等一系列的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种流量计的步进电机控制处理方法和系统，以至少解决现有技术中直接根据流量进行控制所导致的控制不精确的问题。
5.根据本技术的一个方面，提供了一种流量计的步进电机控制处理方法，包括：获取流量计的当前流量值和预先设置的目标流量值；根据所述当前流量值和所述目标流量值确定第一误差；获取确定所述第一误差之前得到的至少一个第二误差；根据所述第一误差和所述至少一个第二误差确定控制增量，其中，所述增量用于指示在所述流量计的步进电机现有的控制参数中进行调整的量，所述控制增量为正值或者负值；根据所述控制增量驱动所述步进电机带动所述流量计的阀门运动调整所述流量计的流量。
6.进一步地，所述至少一个第二误差包括：确定所述第一误差之前得到的上一次测量得到的上一次误差以及所述上一次误差之前测量得到的上上一次误差。
7.进一步地，根据预先配置的第一电流值对所述步进电机进行恒流驱动以带动所述阀门运动。
8.进一步地，根据预先配置的第一电流值对所述步进电机进行恒流驱动以带动所述阀门运动包括：步骤s1，选择预定电流值，其中，所述步进电机在所述预定电流值的控制下带动所述阀门的螺杆和所述阀门的薄膜的连接件之间卡死；步骤s2，将所述步进电机旋转到一端，控制所述步进电机丢步保持预定时长；步骤s3，判断能否反向转动所述步进电机，如果能，则记录该电流值，并将所述电流值作为所述第一电流值；如果不能，则调低所述电流值后再次执行步骤s2和步骤s3，直到能够反向转动所述步进电机后，将调低后的电流值作为所述第一电流值。
9.进一步地，根据所述控制增量驱动所述步进电机包括：判断所述控制增量是否位于预定范围区间内，其中，所述预定范围用于指示在控制增量位于该预定范围区域的情况下，不根据所述控制增量对步进电机进行控制；在所述控制增量不在所述预定范围区间的情况下，根据所述控制增量驱动所述步进电机。
10.根据本技术的另一个方面，还提供了一种流量计的步进电机控制处理系统，包括：第一获取模块，用于获取流量计的当前流量值和预先设置的目标流量值；第一确定模块，用于根据所述当前流量值和所述目标流量值确定第一误差；第二获取模块，用于获取确定所述第一误差之前得到的至少一个第二误差；第二确定模块，用于根据所述第一误差和所述至少一个第二误差确定控制增量，其中，所述增量用于指示在所述流量计的步进电机现有的控制参数中进行调整的量，所述控制增量为正值或者负值；控制模块，用于根据所述控制增量驱动所述步进电机带动所述流量计的阀门运动调整所述流量计的流量。
11.进一步地，所述至少一个第二误差包括：确定所述第一误差之前得到的上一次测量得到的上一次误差以及所述上一次误差之前测量得到的上上一次误差。
12.进一步地，所述控制模块，用于根据预先配置的第一电流值对所述步进电机进行恒流驱动以带动所述阀门运动。
13.进一步地，所述控制模块用于执行以下步骤：步骤s1，选择预定电流值，其中，所述步进电机在所述预定电流值的控制下带动所述阀门的螺杆和所述阀门的薄膜的连接件之间卡死；步骤s2，将所述步进电机旋转到一端，控制所述步进电机丢步保持预定时长；步骤s3，判断能否反向转动所述步进电机，如果能，则记录该电流值，并将所述电流值作为所述第一电流值；如果不能，则调低所述电流值后再次执行步骤s2和步骤s3，直到能够反向转动所述步进电机后，将调低后的电流值作为所述第一电流值。
14.进一步地，所述控制模块用于：判断所述控制增量是否位于预定范围区间内，其中，所述预定范围用于指示在控制增量位于该预定范围区域的情况下，不根据所述控制增量对步进电机进行控制；在所述控制增量不在所述预定范围区间的情况下，根据所述控制增量驱动所述步进电机。
15.在本技术实施例中，采用了获取流量计的当前流量值和预先设置的目标流量值；根据所述当前流量值和所述目标流量值确定第一误差；获取确定所述第一误差之前得到的至少一个第二误差；根据所述第一误差和所述至少一个第二误差确定控制增量，其中，所述增量用于指示在所述流量计的步进电机现有的控制参数中进行调整的量，所述控制增量为正值或者负值；根据所述控制增量驱动所述步进电机带动所述流量计的阀门运动调整所述流量计的流量。通过本技术解决了现有技术中直接根据流量进行控制所导致的控制不精确的问题，从而提高了控制精度。
附图说明
16.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1是根据本技术实施例的整体流量计的结构示意图。
18.图2是根据本技术实施例的步进电机控制流程图。
19.图3是根据本技术实施例的电流确定方法的流程图。
20.图4是根据本技术实施例的死区算法的流程图。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
22.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
23.在本实施例中提供了一种流量计的步进电机控制处理方法，下面对该方法包括的步骤进行说明。
24.步骤s102，获取流量计的当前流量值和预先设置的目标流量值；
25.步骤s104，根据所述当前流量值和所述目标流量值确定第一误差；
26.步骤s106，获取确定所述第一误差之前得到的至少一个第二误差；
27.在该步骤中，至少一个第二误差可以有多种实现方式，例如，所述至少一个第二误差包括：确定所述第一误差之前得到的上一次测量得到的上一次误差以及所述上一次误差之前测量得到的上上一次误差。
28.步骤s108，根据所述第一误差和所述至少一个第二误差确定控制增量，其中，所述增量用于指示在所述流量计的步进电机现有的控制参数中进行调整的量，所述控制增量为正值或者负值；
29.步骤s110，根据所述控制增量驱动所述步进电机带动所述流量计的阀门运动调整所述流量计的流量。
30.通过上述步骤使用了控制增量作为控制参数，解决了现有技术中直接根据流量进行控制所导致的控制不精确的问题，从而提高了控制精度。
31.在实际应用时，步进电机可能出现如下问题：当步进电机带动阀门转动到一端时，阀门无法继续转动，此时由于阀门的螺杆和薄膜固定件间的螺纹为细牙螺纹，薄膜固定件为塑料，施加压力后会发生形变，容易发生螺杆与薄膜固定件卡死的情况，即为正转时卡死，再次反转时不能顺利反转，致使步进电机一直堵转，无法继续控制流量。
32.为了解决这个问题，在本实施例中，可以采用如下步骤。
33.步骤s1，选择预定电流值，其中，所述步进电机在所述预定电流值的控制下带动所述阀门的螺杆和所述阀门的薄膜的连接件之间卡死；
34.步骤s2，将所述步进电机旋转到一端，控制所述步进电机丢步保持预定时长；
35.步骤s3，判断能否反向转动所述步进电机，如果能，则记录该电流值，并将所述电流值作为所述第一电流值；如果不能，则调低所述电流值后再次执行步骤s2和步骤s3，直到能够反向转动所述步进电机后，将调低后的电流值作为所述第一电流值。
36.同时，作为另一个可选实施方式，为了防止频繁调整步进电机，还可以判断所述控制增量是否位于预定范围区间内，其中，所述预定范围用于指示在控制增量位于该预定范围区域的情况下，不根据所述控制增量对步进电机进行控制；在所述控制增量不在所述预定范围区间的情况下，根据所述控制增量驱动所述步进电机。
37.下面结合附图对本技术一个可选的实施例进行说明。
38.在本实施例中阀门与被控液体接触，不能对其产生污染，液体阀门主要部件采用pfa或ptfe等无污染材质制造，通用的设计结构为螺杆推动薄膜调节阀门间隙，实现对被控液体进行流量控制，这一部分原理可以详细参考公司关于阀门设计的专利内容，这里不再赘述，此阀门的结构决定了以下特征：
39.由于薄膜运动范围有限，螺杆转动角度范围有限，约为1～2周(360～720度)；
40.为了提高精度，螺杆采用细牙，在转动到一端时，可能发生卡死；
41.在工作工程中，细牙螺纹也面临反复传动带来的磨损，影响寿命。螺杆是金属材质，薄膜末端的带螺纹固定件为塑料材质，不同材质间的摩擦，容易产生磨损，最终导致失效：金属螺杆发生磨损的形式主要为螺纹变浅，磨屑堆积；塑料固定件的磨损形式主要为螺纹错位，失效。
42.经过论证与实践验证，本实施例所述方案使用步进电机与螺杆连接，内部逻辑控制电路采用增量式pid算法，控制流量，同时进行了若干特殊设计保证以上问题能够很好解决。
43.应对以上设计目标，本实施例主要设计任务有：
44.1.增量式pid算法控制步进电机；
45.2.步进电机驱动特定电流驱动模式，防卡死；
46.3.死区控制算法提高传动寿命。
47.本实施例中的整体流量计的结构构成如图1所示，其中流量计为超声流量计，也可以是其他类型流量计，阀门与超声流量计串联在一个液体管路上，流量计检测到的实时流量信息输入给逻辑控制器，逻辑控制器内部运行增量pid控制器和其他补充算法，最终计算出所需的步进电机运动角度输送给步进电机驱动器，由步进电机驱动器控制驱动步进电机完成运动，带动阀门控制流量，形成闭环控制。
48.1.增量式pid算法控制步进电机
49.带动螺杆转动的电机可以选择的电机主要有两种，一种是带码盘的伺服装置，另一种是步进电机。对于本应用，体积和复杂度计量减小，有利于系统集成。
50.第一种带码盘的伺服装置，主要包括旋转编码器件(光电码盘或磁栅等)、无刷直流电机、伺服驱动器等组件，体积较大，装置较为复杂，装置造价高，后期维护成本也相对较高。
51.第二种步进电机，体积小，自带位置锁定，单步运转(例如两项四线步进电机，1.8
°
步距角)，在不丢步的情况下可量化转动角度，同时可省略码盘等复杂旋转编码器件，更利于本发明。
52.故本发明采用小体积28型步进电机，大幅降低整机体积，例如在单台设备中安装数十台流量控制器的应用场合优势明显。
53.然而由于阀门的转动范围有限，仅为360度～720度，而非连续无限制旋转，无法在上电时给阀门一个固定开度。由于以下因素：
54.阀门螺纹制造误差和螺纹间隙的存在；
55.阀门材料的热膨胀状态不确定；
56.阀门螺纹传递的磨损持续加剧；
57.液体管路后续阻力不确定。
58.故不能通过设定阀门开度去开环控制管路流量。必须采用闭环控制策略。闭环控制策略在逻辑控制器中执行。
59.本实施例中所述逻辑控制电路运用增量式pid控制策略的程序流程被图2示出，在图2中：获取预装的pid参数，读取当前流量值和目标流量值，然后进行增量式pid计算，最终
控制步进电机旋转，并缓存相关变量。
60.当控制器电源关闭时，已经存在的转动角不确定，下次开机时也无法直接控制电机转到特定角度。需要采用增量式pid控制策略，相对于位置式pid算法，增量式的计算结果为当前开度的增量，而非某个特定开度值，更适合步进电机带动阀门的技术方案。增量式的计算公式如下：
61.δu(k)＝u(k)-u(k-1)
62.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝k
p
[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
[0063]
其中：
[0064]
比例p:e(k)-e(k-1)这次误差-上次误差；
[0065]
积分i:e(i)误差；
[0066]
微分d:e(k)-2e(k-1)+e(k-2)这次误差-2*上次误差+上上次误差。
[0067]
根据多次实验确定k
p
、ki、kd参数后，其中，这三个参数为三个常数，使用前后三次测量值的偏差，即可由公式求出当前控制增量。该增量为正值，对应步进电机按照增大阀门开度方向旋转该增量值所代表的角度；若该增量为负值，对应步进电机按照减小阀门开度方向旋转该增量所代表的角度。以上控制不需要知道步进电机当前具体的角度位置，即为不需要关心阀门当前的具体开度，只需要按照增量增大或减小开度即可。
[0068]
2.步进电机驱动特定电流驱动模式，防卡死。
[0069]
当步进电机带动阀门转动到一端时，阀门无法继续转动，此时由于阀门的螺杆和薄膜固定件间的螺纹为细牙螺纹，薄膜固定件为塑料，施加压力后会发生形变，容易发生螺杆与薄膜固定件卡死的情况，即为正转时卡死，再次反转时不能顺利反转，致使步进电机一直堵转，无法继续控制流量。
[0070]
面对这个技术问题，本实施例采用的方法是调节步进电机驱动器选择一个合适的电流值进行恒流驱动。步进电机需要有专用驱动器才能正常运转，此驱动器一般可以设置驱动电流的大小，按照该设置对电机的线圈施加电压进行驱动，该电流直接影响步进电机的力矩，过小的力矩会导致电机在快速转动时丢步，过大的力矩会导致步进电机运转噪声和振动提高，最重要的是会导致螺杆与薄膜固定件卡死，寻找一个满足一定速度运转同时不会造成螺杆卡死的电流值，即可解决此问题。
[0071]
在图3中选择一个足以卡死的电流值，然后将步进电机旋转到一端，电极丢步持续30s，反向转动电机，如果能够反向转动，则记录该电流值，如果不能反向转动，则需要重复试验，寻找该电流值。
[0072]
按此流程操作，可以确保找到一个不发生卡死的最大电流，保证电机力矩，获得系统最高传动效能。
[0073]
设定合适驱动电流后，当步进电机带动阀门转动到一端时，步进电机以较低力矩对螺杆施加驱动力，步进电机丢步，同时不会造成卡死，严重时会直接损坏螺杆与薄膜固定件。当需要反转时，由于没有发生卡死，步进电机可以反向转动带动阀门继续工作。
[0074]
3.死区控制算法提高传动寿命
[0075]
在流量控制器正常工作时，由于扰动的存在，增量式pid算法的输出会频繁在正负值间切换，且数值较小。对应机械传动部件层面，即为螺杆反复快速正反旋转，加剧螺杆与薄膜固定件的磨损。本专利所述的流量控制器需要具备长寿命的优点，才能在工业场景连
续正常运转，尽可能降低停机检查的频率，具备竞争力。
[0076]
为此本实施例引入一种死区控制算法作为增量式pid的辅助控制策略。如图4所示，该控制策略包括如下步骤：读取增量式pid输出，判断该输出是否大于死区阈值，如果否则取消此次步进电机的驱动，如果是，则完成此次驱动。
[0077]
其中，死区是一个较小的、正负对称的输出数值区间，输出数值落在此区间时，控制器选择不输出，这样避免了电机频繁正反转，降低损耗，但是该方法将引入额外的控制误差，只要该误差在允许范围内即可。
[0078]
在本实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。
[0079]
上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0080]
这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。
[0081]
该本实施例中就提供了这样的一种装置或系统。该系统被称为流量计的步进电机控制处理系统，包括：第一获取模块，用于获取流量计的当前流量值和预先设置的目标流量值；第一确定模块，用于根据所述当前流量值和所述目标流量值确定第一误差；第二获取模块，用于获取确定所述第一误差之前得到的至少一个第二误差；第二确定模块，用于根据所述第一误差和所述至少一个第二误差确定控制增量，其中，所述增量用于指示在所述流量计的步进电机现有的控制参数中进行调整的量，所述控制增量为正值或者负值；控制模块，用于根据所述控制增量驱动所述步进电机带动所述流量计的阀门运动调整所述流量计的流量。
[0082]
该系统或者装置用于实现上述的实施例中的方法的功能，该系统或者装置中的每个模块与方法中的每个步骤相对应，已经在方法中进行过说明的，在此不再赘述。
[0083]
例如，所述控制模块，用于根据预先配置的第一电流值对所述步进电机进行恒流驱动以带动所述阀门运动。可选地，所述控制模块用于执行以下步骤：步骤s1，选择预定电流值，其中，所述步进电机在所述预定电流值的控制下带动所述阀门的螺杆和所述阀门的薄膜的连接件之间卡死；步骤s2，将所述步进电机旋转到一端，控制所述步进电机丢步保持预定时长；步骤s3，判断能否反向转动所述步进电机，如果能，则记录该电流值，并将所述电流值作为所述第一电流值；如果不能，则调低所述电流值后再次执行步骤s2和步骤s3，直到能够反向转动所述步进电机后，将调低后的电流值作为所述第一电流值。
[0084]
又例如，所述控制模块用于：判断所述控制增量是否位于预定范围区间内，其中，所述预定范围用于指示在控制增量位于该预定范围区域的情况下，不根据所述控制增量对步进电机进行控制；在所述控制增量不在所述预定范围区间的情况下，根据所述控制增量驱动所述步进电机。
[0085]
通过上述实施例解决了现有技术中直接根据流量进行控制所导致的控制不精确的问题，从而提高了控制精度。
[0086]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。