一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法技术

本发明专利技术公开了一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，包括以下步骤：分别采集步进电机实际相电流；将环型分配器输出电流作为给定电流与步进电机实际相电流做差，其差值直接作为自抗扰控制器输入，该方法取消自抗扰控制器的跟踪

【技术实现步骤摘要】
一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法


[0001]本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法。

技术介绍

[0002]由于步进电机的控制结构及运行特点，其在整步驱动控制时步距角较大、转速不够平稳，容易产生振动，振荡严重时会失步、走步轻重不一，从而带来噪音对系统造成不利影响。目前大部分控制为利用不同控制方法对电机的电流转速双闭环控制来降低转矩波动大小，如：空间矢量脉宽调制、直接转矩控制、模糊PI控制、电流预测控制、自抗扰控制等。但很少有从电机底层出发，对电机续流模式进行优化控制来达到减小电机转矩脉动的目的。
[0003]快速续流与缓慢续流通过控制H桥中各功率MOS开关管的导通与关断控制端电压，从而控制步进电机的绕组电流，利用不同斩波方式提出快速续流、缓慢续流及给定信号的上升沿采用缓慢续流，下降沿则采用快续流得混合续流，将快速续流及缓慢续流按照固定百分比应用在每一微步中，但是此百分比取决于电源电压、电机特性、工作电流、电机转速、反向电动势等，这些参数会变化，这对调节续流模式产生困难。
[0004]自抗扰控制法所用的自抗扰控制器(Active disturbance rejection control，ADRC)中的微分器环节和扩张状态观测器环节计算复杂，会使系统延迟跟踪，其性能取决于控制器内部参数，如何整定众多参数使控制器达到最优状态，是ADRC的一大问题。

技术实现思路

[0005]为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，克服ADRC控制算法参数众多难以调节的问题，具有噪声小以及转矩脉动小的特点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]构建自抗扰控制器：自抗扰控制器包括扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制率；
[0008]对扩张状态观测器的校正增益进行整定和调节，得到优化后校正增益；
[0009]采集步进电机实际A相电流i
A
和B相电流i
B
；将环型分配器输出电流作为给定电流i
ref
与i
A
、i
B
分别做差作为自抗扰控制器的输入；
[0010]根据自抗扰控制器输出，利用有限状态机选择发波形式，在一个PWM周期内对固定续流时间中快速续流的百分比进行优化。
[0011]进一步的，扩张状态观测器的数学模型为：
[0012][0013]其中，e为非线性函数误差，y(k)为系统输出值，β1，β2，β3为扩张状态观测器的校正增益；z1(k)为第k个周期输出信号Y的跟踪信号；z1(k+1)为第k+1个周期输出信号Y的跟踪信号；T为执行频率的倒数；z2(k)为第k个周期输出信号Y的微分跟踪信号；z2(k+1)为第k+1个周期输出信号Y的微分跟踪信号；z3(k)为第k个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；z3(k+1)为第k+1个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；fal(e,α1,δ)为非线性函数；α1，α2为非线性因子；e为非线性函数误差；α1，α2为e的指数；b为补偿因子；u为非线性状态误差反馈的输出量；δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。
[0014]进一步的，一阶系统的非线性状态误差反馈控制率数学模型为：
[0015][0016]其中，v1为ADRC输入信号的快速跟踪信号，z1为输出信号Y的跟踪信号；u0为非线性状态误差反馈控制率输出；β1，δ，α分别为可调参数、滤波因子及非线性因子NLSEF中的可调参数，e为非线性函数误差，fal(e,α,δ)为非线性函数。
[0017]进一步的，fal(e,α,δ)为表达式为：
[0018][0019]其中，e为非线性函数误差，δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。
[0020]进一步的，构建优化后的自抗扰控制器的过程为：将系统给定电流当做TD环节输出，使用扩张状态观测器计算，用实际电流代替扩张状态观测器,仅使用观测器中的最主要部分对系统扰动量进行观测，将非线性状态误差反馈控制率的输入作为算法的输入，运用粒子群算法规则，在线实时地计算出所需的校正增益，以满足不同时刻的自抗扰参数自整定的要求。
[0021]进一步的，自抗扰控制器完整形式为：
[0022][0023]其中，n
ref
为参考转速；v为跟踪微分器输出；跟踪微分器输出e1为n
ref
与n之差；e2为
e1积分；控制量u由z2前馈补偿后得到；z1(t+1)为第t+1个周期输出信号的跟踪信号；z1(t)为张状态观测器跟踪信号；h为执行频率的倒数；z2(t)为对系统扰动量的估计值；β1、β2为校正增益；z2(t+1)为第t+1个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；n为实际转速；u0为非线性状态误差反馈控制率输出；fal1、fal2为非线性函数；b0为扰动补偿系数。
[0024]进一步的，用粒子群算法对扩张状态观测器中的校正增益大小进行整定和调节。
[0025]进一步的，用粒子群算法对自抗扰控制器中扩张状态观测器中的校正增益β1、β2大小进行整定和调节，包括以下步骤：
[0026]S1，进行初始化，设定扩张状态观测器的2个校正增益β1、β2，产生粒子群的初始位置和速度；
[0027]S2，进行个体评价，由适应度函数求出种群中所有粒子的适应度值；
[0028]S3，得出粒子的新位置和速度：根据粒子的适应度与粒子群个体最优解p
best
和全局最优解g
best
进行比较，得到粒子的最新速度与位置；
[0029]S4，求得最优解，当满足条件时，输出全局的最优解β1、β2，并带入到扩张状态观测器中，若不满足条件则转至S2。
[0030]进一步的，在一个PWM周期内对固定续流时间中快速续流的百分比进行优化包括：
[0031]在一个PWM的最小开通时间T
drive
后开始对步进电机A相电流i
A
和B相电流i
B
进行采样，有限状态机动作执行：
[0032]若电流低于给定电流，PWM保持开通，直至电流升至给定电流，然后进行时长为T
off
的缓慢续流；
[0033]若电流高于给定电流，进入快速续流模式，运行时长T
fast
，时间长度由超调量决定，即通过改变快速续流在固定关断时间中的百分比来提高响应速度，最大程度地减小电流纹波。
[0034]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0035]由于ADRC具有较多的控制参数需要调节，且调节过程复杂繁琐，因而需要更强大的计算能力。而控制器运算能力不足会使系统延迟跟踪，同时拉低电机的响应速度，在低成本步进电机应用领域的适用性较差，所以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：构建自抗扰控制器：自抗扰控制器包括扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制率；对扩张状态观测器的校正增益进行整定和调节，得到优化后校正增益；采集步进电机实际A相电流i
A
和B相电流i
B
；将环型分配器输出电流作为给定电流i
ref
与i
A
、i
B
分别做差作为自抗扰控制器的输入；根据自抗扰控制器输出，利用有限状态机选择发波形式，在一个PWM周期内对固定续流时间中快速续流的百分比进行优化。2.根据权利要求1所述的一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器的数学模型为：其中，e为非线性函数误差，y(k)为系统输出值，β1，β2，β3为扩张状态观测器的校正增益；z1(k)为第k个周期输出信号Y的跟踪信号；z1(k+1)为第k+1个周期输出信号Y的跟踪信号；T为执行频率的倒数；z2(k)为第k个周期输出信号Y的微分跟踪信号；z2(k+1)为第k+1个周期输出信号Y的微分跟踪信号；z3(k)为第k个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；z3(k+1)为第k+1个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；fal(e,α1,δ)为非线性函数；α1，α2为非线性因子；e为非线性函数误差；α1，α2为e的指数；b为补偿因子；u为非线性状态误差反馈的输出量；δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。3.根据权利要求1所述的一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，一阶系统的非线性状态误差反馈控制率数学模型为：其中，v1为ADRC输入信号的快速跟踪信号，z1为输出信号Y的跟踪信号；u0为非线性状态误差反馈控制率输出；β1，δ，α分别为可调参数、滤波因子及非线性因子NLSEF中的可调参数，e为非线性函数误差，fal(e,α,δ)为非线性函数。4.根据权利要求3所述的一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，fal(e,α,δ)为表达式为：其中，e为非线性函数误差，δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。5.根据权利要求1所述的一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，构建自抗扰控制器的过程为：将系统给定电流当做TD环节输出，使用扩张状态观测器计算，用实际电流代替扩张状态观测器，仅使用观测器中的最主要部分对系统扰动量进行观测，将非
线性状态误差反馈控制率的输入作为算法的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝泉，张浩铭，刘艺，王伟，李润琦，韩猛，李昊轩，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：