一种步进电机自适应按压力控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及电机控制与精密按压测试，尤其涉及一种步进电机自适应按压力控制装置及其控制方法。

背景技术：

1、步进电机因其成本低、定位精度高而被广泛用于按键测试、触觉反馈测试等按压场景。传统步进电机采用脉冲/方向开环控制，存在低速振动大、噪声高、高速力矩衰减快、易失步等问题，严重影响按压力控制的精度和稳定性。

2、现有技术中，部分按压装置采用伺服电机配合力传感器实现力闭环控制，但伺服系统成本高、体积大。另外，按压头的材质直接影响力传递特性：硬质触头无法模拟真实手指按压的柔顺性，而弹性按压头（如优力胶、导电泡棉、触摸笔头）在按压过程中会发生非线性形变，导致力传感器读数与实际作用力之间存在偏差。不同材质的形变特性差异显著，更换按压头后需重新调试控制参数，缺乏自适应能力。

3、目前步进电机的foc控制主要应用于转速与位置控制，缺乏对按压力的闭环控制，也未考虑不同材质按压头形变带来的非线性影响，无法实现按压头更换后的参数自适应。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种步进电机自适应按压力控制装置，用于解决现有步进电机按压装置中：1、传统开环控制导致低速振动大、按压力控制精度低；2、不同材质按压头（优力胶、导电泡棉、触摸笔头）形变特性差异显著，力传递非线性，更换后需人工重新调试参数；3、缺乏对按压头形变的实时补偿，按压力控制误差大的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本技术实施例提供了一种步进电机自适应按压力控制装置，包括步进电机、与所述步进电机的输出端连接的传动机构、与所述传动机构连接的上滑块、与所述上滑块的底部连接的下滑块和设于所述下滑块底部的按压头，其中所述上滑块与所述下滑块的连接部设有力传感器，所述上滑块和下滑块设于同一竖直导轨上，所述步进电机的顶部设有控制器。

4、可选地，所述步进电机为两相混合式步进电机，步距角1.8°，额定电流0.5a，采用固定轴式丝杆电机结构，将旋转运动转化为直线运动；

5、可选地，所述控制器采用stm32g431单片机，内置foc控制算法、角度检测与处理单元、压力检测单元、按压力pid调节模块及材质识别模块，并集成双h桥功率级及其驱动与电流采样电路，直接输出pwm信号驱动步进电机。

6、可选地，所述力传感器为s型拉压力传感器，量程0-1kg，精度0.1%fs，用于实时检测按压头与被测物之间的按压力。

7、可选地，所述上滑块的侧壁上设有感应器挡片，所述竖直导轨的背面设有光电感应器，所述感应器挡片与光电感应器组成原点检测组件，用于电机原点位置检测及原点回归，当上滑块运动至原点位置时，感应器挡片插入光电感应器的u型槽并阻断其光路，光电感应器输出电平跳变信号至控制器，控制器根据该信号确认电机的机械原点位置；上电或接收到回零指令后，控制器控制电机驱动上滑块向光电感应器方向运动，当感应器挡片阻断光路时，控制器接收到触发信号并控制电机停止，完成原点回归。

8、可选地，上滑块顶部与用于连接步进电机转动轴的传动机构连接，底部用于固定s型的力传感器，且沿所述竖直导轨上下移动；

9、所述下滑块设于竖直导轨上，下滑块底部设有按压头，下滑块顶部通过等高螺丝与s型的力传感器的底部连接。

10、可选地，所述按压头根据测试需求更换不同材质端面，所述不同材质端面包括优力胶、导电泡棉或触摸笔头。

11、另一方面，本技术实施例提供了一种步进电机自适应按压力控制装置的控制方法，所述方法包括：

12、预压阶段：控制步进电机驱动按压头运动，根据力-位移曲线特征识别按压头材质；

13、参数加载：根据识别出的材质，加载对应的foc电流环参数、按压力pid参数及形变补偿函数；

14、正式按压：采用外环按压力pid与内环foc电流环串级控制，外环根据目标按压力与力反馈值的误差计算目标力矩，内环foc控制步进电机输出该力矩；

15、形变补偿：实时监测按压头压缩量，利用所述补偿函数修正目标力矩，以补偿按压头形变引起的力传递非线性误差。

16、可选地，所述按压头材质为优力胶、导电泡棉或触摸笔头；

17、所述补偿函数对于优力胶为线性函数，对于导电泡棉为分段线性函数，对于触摸笔头为指数型函数。

18、可选地，在预压阶段，控制步进电机以0.2~1 mm/s下压，并在检测到压力值大于或等于接触力阈值的情况下，记当前位置为压缩量零点，并开始记录力-位移曲线，并基于力-位移曲线提取弹性变形阶段的平均斜率k和/或曲线是否存在压实拐点；

19、若平均斜率k大于预设阈值，则判定按压头材质为优力胶，并加载线性补偿函数；

20、若平均斜率k小于或等于预设阈值，且力-位移曲线存在压实拐点，则判定按压头材质为导电泡棉，并加载分段线性补偿函数；

21、若平均斜率k小于或等于预设阈值，且力-位移曲线不存在压实拐点，则判定压头材质为触摸笔头，并加载指数型补偿函数；

22、在参数加载阶段，基于识别出的材质类型，从预设参数组中加载对应的控制参数，所述控制参数包括foc电流环带宽、力矩限制值、按压力pid控制器参数和形变补偿函数参数，其中所述按压力pid控制器参数为按压力pid控制器的比例系数、积分系数、积分分离阈值和输出限幅值；

23、在正式按压阶段，采用外环按压力pid与内环foc电流环的串级控制结构；

24、其中，外环根据目标按压力与力传感器反馈值的误差，经pid运算得到目标力矩指令，并根据材质参数进行积分分离与输出限幅；内环根据foc电流环接收目标力矩指令，经clark变换、park变换分解交轴分量iq和直轴分量id，控制id=0，调节iq跟踪目标力矩，生成svpwm信号驱动步进电机；

25、在形变补偿阶段，实时监测按压头的压缩量δx，根据当前材质对应的补偿函数修正目标力矩指令：

26、对于优力胶，采用线性补偿函数：δt = a·δx；

27、对于导电泡棉，采用分段线性补偿函数，区分初始段与压实段；

28、对于触摸笔头（硅胶），采用指数型补偿函数：δt = b·(e^{c·δx} - 1)；

29、补偿后的力矩指令送入foc电流环；

30、当力传感器读数进入目标按压力范围内并持续稳定时间t后，维持当前力矩输出，直至接收到撤回指令。

31、本发明的有益效果是：

32、高精度按压力控制：foc控制消除步进电机的低速振动与噪声，结合按压力闭环，实现按压力的高精度控制。此外，通过低摩擦传动设计与精密润滑措施，有效抑制了摩擦力对力控精度的干扰。

33、材质自适应：自动识别优力胶、导电泡棉、触摸笔头三种常见按压头材质，换头无需人工调试参数。

34、形变精确补偿：针对不同材质按压头的非线性形变特性建立专用补偿模型，大幅提升实际按压力的准确性。

35、广泛适用性：可应用于智能眼镜按键测试、手机按键测试、触摸屏点击测试、医疗器械按钮疲劳测试等场景。