一种力位混合的伺服步进闭环控制方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种力位混合的伺服步进闭环控制方法和系统，方法包括：根据步进电机转子端的实际角度位置和实际速度，获取位置偏差和速度偏差，构建步进电机的系统误差动力学方程，基于位置偏差和速度偏差构建比例微分辅助变量以及保证该比例微分辅助变量在有限时间收敛到0的趋近方程；结合系统误差动力学方程、比例微分辅助变量和趋近方程构建力位混合控制器，通过该力位混合控制器获取系统控制输入，基于该系统控制输入进行相电流分配得到两相参考电流，并采用硬件电流闭环实现步进电机的驱动控制。与现有技术相比，本发明专利技术能在系统存在干扰和不确定性时，提高步进电机位置控制精度，且实现力矩和位置的混合控制。且实现力矩和位置的混合控制。且实现力矩和位置的混合控制。

【技术实现步骤摘要】
一种力位混合的伺服步进闭环控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及步进电机控制
，尤其是涉及一种力位混合的伺服步进闭环控制方法和系统。

技术介绍

[0002]步进电机由于定位精度较高、控制方式简单、工作可靠且成本较低，已广泛应用于很多不同的工业领域。通常，步进电机精确的定位精度和稳定的力控性能是很多应用中所需要的。为了提高步进电机的控制性能，现有方法可以分为如下三类：
[0003]1、通过使用步进电机细分驱动方法来提高位置精度，例如申请号为CN 207588746U的技术公开的步进电机细分控制电路以及文献“两相混合式步进电机细分驱动器设计”(郝欣伟等,电子世界,2019,(02))。这类方法是通过步进电机驱动器生成精确的相电流来实现，其初衷是削弱步进电机的低频振动和噪声，使运动更加平稳，因此在低频周期工作时效果较好。然而，在速度较高时该类方法容易造成失步丢脉冲，从而使得位置精度降低。
[0004]2、通过构建闭环控制器提高位置跟踪精度，例如申请号为CN 204886773U的技术公开的一种步进电机闭环控制系统以及文献“步进电机闭环控制系统的研究与应用”(夏斯权等，机电工程，2017，34(12))。这类方法在工业应用中常使用 PI校正单元进行闭环控制器的设计，适用于线性定常系统。而步进电机是一个多变量强耦合的非线性系统，采用传统的控制方式在复杂的工况下难以适应各种干扰，导致位置跟踪精度降低。此外，在步进系统闭环控制框架上，常使用双闭环控制策略，这种方式下由于位置环响应速度慢于速度环，因此会降低位置伺服的动态响应速度。
[0005]3、通过恒流驱动方式来提高步进电机力矩保持性能，例如申请号为CN 216134441U的技术公开的步进电机驱动电路及步进电机驱动器以及文献“步进电机恒流驱动电路设计”(张超等，计算机测量与控制，2019,27(05))。这种控制方式由预先给定的正弦电流作为参考值，并通过与绕组线圈电流进行比较产生 PWM信号，控制H桥的通断，从而实现力矩保持。该方法可以有效提高电压利用率，位置精度较高、响应速度快，可以明显减轻电机低频振动。然而，该方法的力矩大小无法做到自调节，任意时刻的电流大小只与当时正弦电流表的参考电流有关而与位置状态无关，在实际工业应用中对力控要求较高的场景容易造成系统损坏。并且由于缺乏位置闭环，同样存在失步的问题。
[0006]因此，如何在系统存在干扰和不确定性时，提高步进电机位置控制精度，且能够实现力矩/位置混合控制，成为高性能伺服步进电机在工业应用中的重要问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在步进电机在工业应用中存在振动、失步以及力矩不可控的缺陷而提供一种力位混合的伺服步进闭环控制方法和系统。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，包括以下步骤：根据步进电机转子端的实际角度位置和实际速度，获取位置偏差和速度偏差，构建步进电机的系统误差动力学方程，基于位置偏差和速度偏差构建比例微分辅助变量以及保证该比例微分辅助变量在有限时间收敛到0的趋近方程；
[0010]结合系统误差动力学方程、比例微分辅助变量和趋近方程构建力位混合控制器，通过该力位混合控制器获取系统控制输入，基于该系统控制输入进行相电流分配得到两相参考电流，并采用硬件电流闭环实现步进电机的驱动控制。
[0011]进一步地，所述系统误差动力学方程Ω2的计算表达式为：
[0012][0013]式中，e1为位置偏差，e2为速度偏差，ω
*
为给定速度，ω为实际速度，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，u0为系统控制输入，K
m
为电机转矩常数，d为系统干扰；
[0014]所述比例微分辅助变量σ的计算表达式为：
[0015]σ＝ce1+e2[0016]式中，c为比例系数，且c＞0；
[0017]所述趋近方程Ω4的计算表达式为：
[0018][0019]式中，λ1、λ2为时变增益参数；
[0020]所述系统控制输入的获取表达式为：
[0021][0022]进一步地，所述时变增益参数λ1和λ2满足的条件为：
[0023][0024]式中，α、μ、η、k和λ
m
均为可调参数，α、μ、η、k、λ
m
>0。
[0025]进一步地，所述系统控制输入还对应设置有可变限制参数，根据该可变限制参数获取最终的系统输入，根据该最终的系统输入进行相电流分配得到两相参考电流。
[0026]进一步地，所述最终的系统输入的计算表达式为：
[0027]u＝min{u0,u
max
}
[0028]式中，u为最终的系统输入，u0为系统控制输入，u
max
为可变限制参数。
[0029]进一步地，所述两相参考电流的计算表达式为：
[0030][0031]式中，i
a
、i
b
分别为电机A、B相绕组电流，K
m
为电机转矩常数，N
r
为转子齿数，θ为实
际角度位置。
[0032]进一步地，对所述两相参考电流进行park变换可得：i
d
＝0，从而实现步进电机的力矩控制。
[0033]进一步地，采用硬件电流闭环实现步进电机的控制，具体为：
[0034]将两相参考电流信号经过DAC转化为模拟量，与反馈采样电流经过电压比较器比较输出后，生成H桥PWM开关信号，驱动步进电机闭环运行。
[0035]本专利技术还提供一种基于如上所述的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法的控制系统，包括力位混合控制器、角度传感器、电流闭环驱动电路、采样电路和步进电机，所述角度传感器安装在步进电机的转子端，用于采集实际角度位置θ和实际速度ω；
[0036]所述力位混合控制器用于根据步进电机转子端的实际角度位置和实际速度，获取位置偏差和速度偏差，构建步进电机的系统误差动力学方程，基于位置偏差和速度偏差构建比例微分辅助变量以及保证该比例微分辅助变量在有限时间收敛到0 的趋近方程；结合系统误差动力学方程、比例微分辅助变量和趋近方程构建力位混合控制器，通过该力位混合控制器获取系统控制输入，基于该系统控制输入进行相电流分配得到两相参考电流；
[0037]所述采样电路用于获取两相实际电流，所述电流闭环驱动电路用于对比两相参考电流和两相实际电流，通过硬件电流闭环实现步进电机的驱动控制。
[0038]进一步地，在没有达到力矩限制时，在系统输入u的作用下，位置偏差和速度偏差分别满足
[0039]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0040](1)本专利技术设计的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，能保证电机系统的闭环运行，可以实现位置与力矩的精确控制，有效提高步进电机定位精度以及减少振动与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据步进电机转子端的实际角度位置和实际速度，获取位置偏差和速度偏差，构建步进电机的系统误差动力学方程，基于位置偏差和速度偏差构建比例微分辅助变量以及保证该比例微分辅助变量在有限时间收敛到0的趋近方程；结合系统误差动力学方程、比例微分辅助变量和趋近方程构建力位混合控制器，通过该力位混合控制器获取系统控制输入，基于该系统控制输入进行相电流分配得到两相参考电流，并采用硬件电流闭环实现步进电机的驱动控制。2.根据权利要求1所述的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，其特征在于，所述系统误差动力学方程Ω2的计算表达式为：Ω2：式中，e1为位置偏差，e2为速度偏差，ω
*
为给定速度，ω为实际速度，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，u0为系统控制输入，K
m
为电机转矩常数，d为系统干扰；所述比例微分辅助变量σ的计算表达式为：σ＝ce1+e2式中，c为比例系数，且c＞0；所述趋近方程Ω4的计算表达式为：式中，λ1、λ2为时变增益参数；所述系统控制输入的获取表达式为：3.根据权利要求2所述的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，其特征在于，所述时变增益参数λ1和λ2满足的条件为：式中，α、μ、η、k和λ
m
均为可调参数，α、μ、η、k、λ
m
>0。4.根据权利要求1所述的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，其特征在于，所述系统控制输入还对应设置有可变限制参数，根据该可变限制参数获取最终的系统输入，根据该最终的系统输入进行相电流分配得到两相参考电流。5.根据权利要求4所述的一种力位混合的伺服步进闭环控制方法，其特征在于，所述最终的系统输入的计算表达式为：u＝min{u0,u
max
}式中，u为最终的系统输入，u0为系统控制输入，u
max
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冒建亮，王校明，白国超，张传林，
申请(专利权)人：知行机器人科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：