一种两相混合式步进电机闭环控制方法技术

本发明专利技术提供了一种两相混合式步进电机闭环控制方法，其涉及的控制系统包括编码器、电流采集器、数学模型、卡尔曼观测器、模糊自适应控制器和矢量控制器；其包括如下步骤：步骤S1：通过编码器得到角度和角速度；通过电流采集器得到电流；步骤S2：电流经过数学模型得到输出力矩；步骤S3：角度、角速度和输出力矩经过卡尔曼观测器进行数据的融合处理，得到角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值；步骤S4：角度期望值、角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值经过模糊自适应控制器，得到Q轴电流期望值；步骤S5：电机运行中，D轴电流期望值保持为零；Q轴电流期望值、D轴电流期望值和电流采集器得到的电流经过矢量控制器，得到控制量对电机进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种两相混合式步进电机闭环控制方法
本专利技术涉及一种两相混合式步进电机闭环控制方法，属于电机驱动器领域。
技术介绍
步进电机自出现以来，经过了十几年的发展，目前已广泛应用在各种自动控制系统中。步进电机的下游产业包括数控机床、工业自动化、办公自动化、印刷设备和家用电器等领域。随着全球工业4.0时代的来临以及智能硬件的兴起，作为机电一体化的关键部件，传统的步进电机控制系统已经难以满足未来的需要，急需一种精度高且运行平稳的步进电机控制系统。步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移(角位移或线位移)的机电执行元件，具有动态力矩大、抗干扰能力强和定位精度高等优点，被广泛应用于数控装置、自动化仪器等机电一体化设备中。步进电机的位移与输入的数字脉冲有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，故又称为脉冲电机。要想控制步进电机良好地工作，必须有合适可靠的驱动装置。步进电机的开环控制容易实现，但是开环控制控制精度差，而且无法克服步进电机的系统误差，步进电机的系统误差必须通过闭环来解决。在现有的闭环控制系统中，位置环与速度环控制的自适应性不好，基于编码器反馈的误差较大，难以适应不同场合的应用。中国专利201210422712.3公开了一种步进电机的控制系统及控制方法，其中系统包括：控制器，用于产生对两相混合式步进电机进行控制的控制指令；数字信号处理模块，与控制器相连接，用于接收控制指令，将控制指令转化为两相混合式步进电机的运行参数，由运行参数控制产生的脉冲信号符合指数型加减速曲线；电机驱动模块，与数字信号处理模块相连接，用于将脉冲信号进行功率放大，根据放大后的脉冲信号驱动两相混合式步进电机以旋转方向、旋转圈数、最大速度从起始位置运行到终点位置。中国专利201010227434.7公开了一种混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于：在每一个控制周期中，获得绕组电流及绕组端电压后，根据混合式步进电机的瞬态数学模型估计出瞬时定子磁链和瞬时电磁转矩；由转子位置角或速度闭环调节器输出给定转矩；将给定转矩和瞬时转矩进行比较，给定磁链和瞬时磁链进行比较，由比较结果，直接选择逆变器的五个空间电压矢量当中最优的一个作用于混合式步进电机，通过插入零电压矢量来调节定子磁链矢量瞬时转速。目前应用于步进电机的控制系统主要有两种：1、开环控制系统，其缺点是：存在失步、振荡、启动困难、效率较低等问题；2、结合较为普通的PID控制的闭环控制系统，其缺点是：自适应性有待提高，在不同应用场合需要分别调节。上述现有技术的系统精度以及速度性能的都处于较低的水平，本专利技术立足于闭环控制系统，增加位置与速度的反馈环路及模糊自适应控制技术，最终形成一种两相混合式步进电机闭环控制系统，提高步进电机控制系统的控制精度与应用范围。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种两相混合式步进电机闭环控制方法，其立足于闭环控制系统，增加位置与速度的反馈环路及模糊自适应控制技术，最终形成一种两相混合式步进电机闭环控制系统，提高步进电机控制系统的控制精度与应用范围。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种两相混合式步进电机闭环控制方法，其涉及的控制系统包括编码器、电流采集器、数学模型、卡尔曼观测器、模糊自适应控制器和矢量控制器；其包括如下步骤：步骤S1：通过编码器得到角度和角速度；通过电流采集器得到电流；步骤S2：电流经过数学模型得到输出力矩；步骤S3：角度、角速度和输出力矩经过卡尔曼观测器进行数据的融合处理，得到角度反馈值(Posfdb)、角速度反馈值(Spdfdb)和角加速度反馈值(Accfdb)；步骤S4：角度期望值(Posref)、角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值经过模糊自适应控制器，得到Q轴电流期望值(Iqref)；步骤S5：电机运行中，D轴电流期望值(Idref)保持为零；Q轴电流期望值、D轴电流期望值和电流采集器得到的电流经过矢量控制器，得到控制量对电机进行控制。本专利技术中，编码器负责采集两相步进电机的旋转角速度及角度，得到实时性较低、无累积误差的数据。本专利技术中，电流采集器负责采集两相步进电机电流(Iα、Iβ)。本专利技术中，数学模型负责对电流采集器采集的电流(Iα、Iβ)进行演算，得到估计的输出力矩，该力矩经过积分处理，可得到实时性高、累积误差大的角速度数据。本专利技术中，卡尔曼观测器负责融合来自于编码器、估计的输出力矩等参数，输出电机输出轴的角度、角速度、角加速度等参数，得到实时性高、累积误差小的数据。本专利技术中，模糊自适应控制器负责根据状态误差，计算所需控制量。本专利技术中，矢量控制器负责完成控制量分配，通过控制电机定子绕组电流实现电磁转矩的最大输出，也就是提高电机的工作效率。建立简单、准确的步进电机模型有助于深入分析步进电机相关特性，继而确定相关控制策略，对于系统性能具有重要意义。数学模型的重点在于用较为简洁的算式近似表达步进电机的运动过程。本专利技术中，两相混合式步进电机的电磁转矩为：式中，Iα––α相绕组的电流，单位A；Iβ––β相绕组的电流，单位A；θ––电角度；Lkj––k相绕组的自感(k＝j)、互感(k≠j)，单位H；P––电机转子齿数；Im––永磁体等效励磁电流；Msr––定转子等效互感系数。根据本专利技术另一具体实施方式，模糊自适应控制器包括角度环和角速度环；模糊自适应控制器的工作流程包括如下步骤：步骤S41：外部输入角度期望值；步骤S42：角度期望值与角度反馈值经过角度环，得到角速度期望值(Spdref)；步骤S43：角速度期望值、角速度反馈值与角加速度反馈值经过角速度环，得到Q轴电流期望值。本方案中，模糊自适应控制器的作用是提高角速度环对扰动的补偿能力，增强控制效果；保证系统的闭环效果，避免步进电机在动态控制中的失步问题。根据本专利技术另一具体实施方式，角度环包括PID调节器和前馈补偿器；角度环的工作流程包括如下步骤：步骤S421：角度期望值与角度反馈值做差，得到角度误差；步骤S422：角度误差送入PID调节器，同时角度期望值送入前馈补偿器；步骤S423：将PID调节器的输出与前馈补偿器的输出相加，得到角速度期望值。本方案中，PID调节器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。本方案中，步进电机闭环控制系统的角度环利用PID调节器与前馈补偿器，保证系统的闭环效果，提高闭环控制系统的控制效果与自适应性。根据本专利技术另一具体实施方式，角速度环包括PI调节器和扰动补偿器，扰动补偿器基于模糊系统的万能逼近理论，逼近未建模的非线性扰动；角速度环的工作流程包括如下步骤：步骤S431：角速度期望值与角速度反馈值做差，得到角速度误差；步骤S432：角速度误差送入PI调节器，同时角速度期望值、角速度反馈值和角加速度反馈值送入扰动补偿器；步骤S433：将PI调节器的输出与扰动补偿器的输出相加，得到Q轴电流期望值。本方案中，PI调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行调节。本方案中，利用模糊系统的万能逼近理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两相混合式步进电机闭环控制方法，所述控制方法涉及的控制系统包括编码器、电流采集器、数学模型、卡尔曼观测器、模糊自适应控制器和矢量控制器；所述控制方法包括如下步骤：步骤S1：通过所述编码器得到角度和角速度；通过所述电流采集器得到电流；步骤S2：电流经过所述数学模型得到输出力矩；步骤S3：角度、角速度和输出力矩经过所述卡尔曼观测器进行数据的融合处理，得到角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值；步骤S4：角度期望值、角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值经过所述模糊自适应控制器，得到Q轴电流期望值；步骤S5：电机运行中，D轴电流期望值保持为零；Q轴电流期望值、D轴电流期望值和电流采集器得到的电流经过所述矢量控制器，得到控制量对电机进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种两相混合式步进电机闭环控制方法，所述控制方法涉及的控制系统包括编码器、电流采集器、数学模型、卡尔曼观测器、模糊自适应控制器和矢量控制器；所述控制方法包括如下步骤：步骤S1：通过所述编码器得到角度和角速度；通过所述电流采集器得到电流；步骤S2：电流经过所述数学模型得到输出力矩；步骤S3：角度、角速度和输出力矩经过所述卡尔曼观测器进行数据的融合处理，得到角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值；步骤S4：角度期望值、角度反馈值、角速度反馈值和角加速度反馈值经过所述模糊自适应控制器，得到Q轴电流期望值；步骤S5：电机运行中，D轴电流期望值保持为零；Q轴电流期望值、D轴电流期望值和电流采集器得到的电流经过所述矢量控制器，得到控制量对电机进行控制。2.如权利要求1所述的控制方法，所述模糊自适应控制器包括角度环和角速度环；所述模糊自适应控制器的工作流程包括如下步骤：步骤S41：外部输入角度期望值；步骤S42：角度期望值与角度反馈值经过所述角度环，得到角速度期望值；步骤S43：角速度期望值、角速度反馈值与角加速度反馈值经过所述角速度环，得到Q轴电流期望值。3.如权利要求2所述的控制方法，所述角度环包括PID调节器和前馈补偿器；所述角度环的工作流程包括如下步骤：步骤S421：角度期望值与角度反馈值做差，得到角度误差；步骤S422：角度误差送入所述PID调节器，同时角度期望值送入所述前馈补偿器；步骤S423：将所述PID调节器的输出与所述前馈补偿器的输出相加，得到角速度期望值。4.如权利要求2所述的控制方法，所述角速度环包括PI调节器和扰动补偿器，所述扰动补偿器基于模糊系统的万能逼近理论，逼近未建模的非线性扰动；所述角速度环的工作流程包括如下步骤：步骤S431：角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵常均，
申请(专利权)人：广州智能装备研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44