一种步进电机的S曲线控制系统及方法与流程

本发明属于步进电机的控制领域，具体涉及一种步进电机的s曲线控制系统及方法。

背景技术：

1、步进电机因为其矩频曲线的原因，适合用s曲线的方式进行驱动，而fpga(fieldprogrammable gate array，现场可编程门阵列)因为其并行逻辑处理的优势，可作为一个多步进电机系统中的驱动逻辑芯片，减轻系统其它处理机构的压力，目前基于fpga的步进电机s曲线控制大致有两种方法；第一是使用查找表的方法，也就是需要事先计算生成步进电机运行的s曲线，再经过密集采样将主曲线以离散点数据的方式存在fpga的ram(random-access memory，随机存储器)或者rom(read-only memory，只读存储器)中，按需求从ram或者rom读取曲线数据，fpga本身不涉及曲线本身计算并且需要消耗ram或者rom资源；第二是使用数学模型进行计算，在不同工况应用不同数学模型，需要预设多钟数学模型，并且有些数学模型需要用到三角函数或者浮点运算，相对会消耗较多的fpga内部资源。

2、专利号为“cn202210350895.6”的专利公开了一种步进电机的加减速曲线优化方法、控制方法及系统，利用优化的加减速曲线驱动步进电机从一定速度启动，但是这种优化方法不涉及对步进电机的s曲线控制的优化，还是会存在消耗较多的fpga内部资源的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种步进电机的s曲线控制系统及方法，通过该控制系统及方法，使步进电机的s曲线控制只跟输入参数和系统常量有关，减少fpga的内部资源消耗。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种步进电机的s曲线控制系统，包括控制中心、外部控制机构；所述控制中心包括通信模块、s曲线参数计算模块、pwm信号生成模块；所述外部控制机构通过步进电机控制参数控制所述步进电机；

4、所述控制中心，用于通过s曲线的方式驱动所述步进电机；

5、所述通信模块，用于获取所述外部控制机构的步进电机控制参数，并输入所述s曲线参数计算模块；

6、所述s曲线参数计算模块，用于根据所述步进电机控制参数，计算出步进电机的s曲线控制参数，并输入至所述pwm信号生成模块；

7、所述pwm信号生成模块，用于根据所述步进电机控制参数和所述s曲线控制参数，开始产生对应s曲线的pwm信号驱动所述步进电机运动。

8、本发明的一种步进电机的s曲线控制系统，通过通信模块获取外部控制机构的步进电机控制参数，再通过s曲线参数计算模块计算出步进电机的s曲线控制参数，最终实现通过pwm信号生成模块开始产生对应s曲线的pwm信号驱动步进电机运动，该控制系统结合控制方法，能使步进电机的s曲线控制只跟输入参数和系统常量有关，简化对步进电机运动控制过程，减少fpga的内部资源消耗。

9、优选的，所述s曲线参数计算模块包括f_half计算模块、j计算模块；所述步进电机控制参数包括起始速度f_init、运行步数step_num、运行时间t_req、加减速时间比例系数t、加减速步数比例系数s；

10、所述f_half计算模块用于计算步进电机的s曲线对应中间速度；

11、所述j计算模块用于计算步进电机的加速度的加速度。

12、本发明还提供一种步进电机的s曲线控制方法，应用于上述的一种步进电机的s曲线控制系统，所述步进电机的s曲线控制方法包括以下步骤：

13、步骤s1.通信模块获取外部控制机构的步进电机控制参数并输入s曲线参数计算模块；

14、步骤s2.s曲线参数计算模块根据步进电机控制参数，计算出步进电机的s曲线控制参数，并输入至pwm信号生成模块；

15、步骤s3.pwm信号生成模块根据步进电机控制参数和s曲线控制参数，开始产生对应s曲线的pwm信号；

16、步骤s4.控制中心根据pwm信号驱动步进电机运动，步进电机进入s曲线运动阶段。

17、优选的，4.根据权利要求1所述的步进电机的s曲线控制方法，其特征在于，所述步骤s2中的s曲线控制参数包括s曲线加加速度j、s曲线对应中间速度f_half；所述控制中心为fpga。

18、优选的，所述步骤s2包括以下步骤：

19、步骤s2.1.fpga对应的系统时钟周期sys_clk_cycle为常量,“运行时间t_req”和“加减速时间比例系数t”用于计算“s曲线加减速时间对应系统周期数t_req_cycle_num”如下:

20、t_req_cycle_num＝t_req/t/sys_clk_cycle；

21、“运行步数step_num”和“加减速步数比例系数s”用于计算“s曲线加减速所需电机步数step_ad_num”如下:

22、step_ad_num＝step_num/s；

23、“s曲线加减速所需电机步数step_ad_num”和“s曲线加减速时间对应系统周期数t_req_cycle_num”计算用于计算“s曲线加减速平均一步对应系统周期数

24、half_step_cycle_num”如下:

25、half_step_cycle_num＝t_req_cycle_num/step_ad_num；

26、下面写为只跟模块输入参数和系统常量有关：

27、half_step_cycle_num＝(t_req×sys_clk_cycle×s)/(t×step_num)；

28、步骤s2.2.fpga对应的系统时钟频率为sys_clk,“s曲线加减速平均一步对应系统周期数half_step_cycle_num”计算得出“s曲线对应中间速度f_half”如下:

29、f_half＝sys_clk/half_step_cycle_num；

30、下面写为只跟模块输入参数和系统常量有关，也就是“s曲线参数计算模块”中的“f_half计算模块”计算过程：

31、f_half＝(sys_clk×t×step_num)/(t_req×sys_clk_cycle×s)；

32、步骤s2.3.“s曲线对应中间速度f_half”和参数“起始速度f_init”得出“s曲线最高速度f_high”如下:

33、f_high＝(f_half-f_init)×2+f_init。

34、优选的，所述步骤s2还包括以下步骤：

35、步骤s2.4.设步进电机在s曲线加速阶段的加速度为a，则加速度a的加加速度j的刷新周期为acc_cycle_num，即acc_cycle_num个系统时钟周期sys_clk_cycle；

36、步骤s2.5.j计算模块计算s曲线加加速度j如下：

37、加速度a达到最大时经过的刷新周期数t_req_cycle_num/2/acc_cycle_num，并且速度频率变化为(f_high-f_init)/2，所以a从初始值a0到最大值有以下计算：

38、((f_high-f_init)/2)＝a0×(t_req_cycle_num/2/acc_cycle_num)+j×

39、(t_req_cycle_num/2/acc_cycle_num)2/2；

40、因为a0是0，所以有：

41、((f_high-f_init)/2)＝j×(t_req_cycle_num/2/acc_cycle_num)2/2；

42、结合“s曲线最高速度f_high”和“s曲线加减速时间对应系统周期数t_req_cycle_num”计算得到“s曲线加加速度j”如下：

43、j＝((f_high-f_init)/2)/((t_req_cycle_num/2/acc_cycle_num)2/2)；

44、下面写为只跟模块输入参数和系统常量有关，也就是“s曲线参数计算模块”中的“j计算模块”计算过程：

45、j＝(8×sys_clk×step_num×t3)/(t_req3×sys_clk_cycle3×s×acc_cycle_num2)-(8×f_init×t2)/(t_req2×sys_clk_cycle2×acc_cycle_num2)。

46、优选的，所述步骤s3包括：pwm信号生成模块通过s曲线加加速度j、s曲线对应中间速度f_half、起始速度f_init，开始产生对应s曲线的pwm信号驱动。

47、优选的，设所述s曲线加速阶段的持续时间为t，且由多个持续时间相同的时间片段组成；所述pwm信号生成模块包括：在步进电机的s曲线加速阶段，获取s曲线对应中间速度f_half，判断出加速度a是增加还是减小；

48、若判断出加速度a是增加，则在s曲线加速阶段，加速度a在步进电机的速度达到f_half之前每过一个时间片段，加速度a会叠加s曲线加加速度j，即

49、a＝a+j；

50、若判断出加速度a是减小，则在s曲线加速阶段，加速度a在步进电机的速度达到f_half之后每过一个时间片段，加速度a会减去s曲线加加速度j，即

51、a＝a-j。

52、优选的，所述pwm信号生成模块还包括：输出脉冲，且输出脉冲的频率从步进电机的起始速度f_init开始，每输出完一个完整周期脉冲频率，记为fcu，则输出的下一个脉冲频率fne会叠加上加速度a，即fne＝fcu+a。

53、优选的，所述步进电机的s曲线控制方法还包括：

54、步骤s5.当步进电机在s曲线加速阶段的加速度a等于0时，fcu达到最高频率，结合加减速步数比例系数s，控制中心驱动步进电机进入减速阶段，直至pwm信号生成模块输出的脉冲数量达到运行步数step_num。

55、有益效果：

56、本发明的一种步进电机的s曲线控制系统及方法，控制系统通过通信模块获取外部控制机构的步进电机控制参数，再通过s曲线参数计算模块计算出步进电机的s曲线控制参数，最终实现通过pwm信号生成模块开始产生对应s曲线的pwm信号驱动步进电机运动，该控制系统结合控制方法，能使步进电机的s曲线控制只跟输入参数和系统常量有关，简化对步进电机运动控制过程，减少fpga的内部资源消耗。