CN103560734A - 基于改进滑模控制器的步进电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进滑模控制器的新型步进电机控制方法，将步进电机当前位置输出反馈，并且与给定位置输出进行偏差运算；将偏差作为改进滑模控制器的输入，经控制器运算得到输出，作为步进电机模型的输入；经步进电机传递函数模型运算得到步进电机位置输出；使步进电机控制系统的快速性和稳定性均可以得到提高。

Description

基于改进滑模控制器的步进电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于改进滑模控制器的控制方法，用于步进电机控制系统，较采用传统的滑模控制器的步进电机控制系统相比，大大提高步进电机控制系统的快速性和准确性。

背景技术

传统步进电机控制系统大多数采用经典PID控制、模糊PID控制和滑模控制，其中滑模控制中趋近率采用指数趋近率较为常见。滑模控制器的准确性和快速性较好，但仍存在改进的空间，可对其指数趋近率加以改进，增强其跟踪型，并通过积分环节加以修正，提高系统的准确性。

发明内容

发明目的

本发明涉及一种基于改进滑模控制器的步进电机控制方法，其目的是为了解决传统步进电机控制系统中响应时间长、准确性差的控制问题。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于改进滑模控制器的步进电机控制方法，其特征在于：采用一种新型的控制器对步进电机位置输出进行跟踪控制，步骤如下：

（1）系统将步进电机当前位置输出反馈，并且与给定位置输出进行偏差运算；

（2）将偏差作为基于改进滑模控制器的输入，经控制器运算得到输出，作为步进电机模型的输入；

（3）经步进电机传递函数模型运算得到步进电机位置输出，重复步骤（1）。

该控制器由改进滑模控制器和模糊PID的积分环节并联组成。

优点及效果

本发明具有如下优点及有益效果：

本发明突破了传统步进电机控制系统当中采用传统滑模控制器，不能准确跟踪步进电机给定转动角度，系统响应时间长的问题，本发明在传统的滑模步进电机控制系统中，对传统指数趋近率进行改进，并且用模糊PID中的积分部分加以修正系统的稳态误差，经验证，采用改进的滑模控制器的步进电机控制技术与传统的滑模控制技术相比，响应时间大大减小，系统稳态误差也得到响应的减小。

附图说明

图1为采用基于改进滑模控制器的步进电机控制系统结构图；

图2为基于改进滑模控制器的步进电机控制器的结构和流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明可用于步进电机控制系统中，可以很好地解决传统步进电机控制系统中响应时间长、准确性差的控制问题，发明的新型控制器，由改进滑模控制器和模糊控制器并联组成，其中滑模控制器趋近率改为由原来传统的指数趋近率，变成在其后乘上滑模面的平方，增加的系统的跟踪性和快速性，但由于惯性影响，产生了较为强烈的抖振，为了减小抖振及系统的稳态误差，在改进滑模控制器的基础上并联了模糊PID的积分部分，较传统的步进电机控制器相比，采用这种新型控制器系统的快速性和准确性得到大大提高。

本发明这种基于改进滑模控制器的步进电机控制系统，采用一种新型的控制器对步进电机位置输出进行跟踪控制。

基于改进滑模控制器的步进电机控制系统结构如图1所示：步进电机当前位置输出与位置给定相比，其差值作为控制器的输入，经控制器运算得到控制器输出作为控制对象的输入，形成完整的步进电机控制系统，其中控制器由改进的滑模控制器和模糊控制器并联组成，其结构和控制流程如图2所示。以型号为130BYG9100A的三相混合式步进电机为例，其位置传递函数模型为：

$G\left(S\right)=\frac{184.96}{S^2+0.1632S+184.96}$

下面结合图2和公式，阐述基于改进滑模控制器的具体实施过程和步骤：

1、改进滑模控制器部分：

令

e＝θ₁(t)-θ₂(t)         （1），

其中：θ₁(t)为位置给定，设置为900rad；θ₂(t)为位置输出；e为位置偏差得到：

$\stackrel{.}{e}={\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_1\left(t\right)-\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)---\left(2\right),$

其中：

为位置给定的一阶导数；

为位置输出的一阶导数；

为位置偏差一阶导数；

改进滑模控制器的滑模面和传统滑模面相同，选取为：

$s=\mathrm{ce}+\stackrel{.}{e}---\left(3\right),$

其中c为待调试参数，

改进滑模控制器的指数趋近率由传统的一般指数趋近率：

$\stackrel{.}{s}=-\mathrm{\ϵsgn}\left(s\right)-\mathrm{kx}---\left(4\right),$

变为 $\stackrel{.}{s}=-\mathrm{\ϵ}*s^2*\mathrm{sgn}\left(s\right)-\mathrm{kx}---\left(5\right),$

其中ε、k为待调试参数；

根据三相混合式步进电机传递函数的数学模型以及公式（3）、（5）得到滑模控制器的输出为：

$u_1\left(t\right)=(\mathrm{ce}+{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_1\left(t\right)+0.1632{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_2\left(t\right)-\stackrel{.}{S})/184.96---\left(6\right),$

其中

为位置给定二阶导数；

为位置输出二阶导数，经反复调试c、ε、k分别取值为：100、1、900；

得到改进滑模控制器输出为：

$u_1\left(t\right)=(100e+{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_1\left(t\right)+0.1632{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_2\left(t\right)-\stackrel{.}{s})/184.96---\left(7\right).$

2、模糊控制器部分

（1）建立偏差e、偏差一阶导数

和积分常数K_I的隶属度：

隶属度分别为[NB NM NS ZO PS PM PB]分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

其中e、

的各值分别选取为：[-3,-2,-1,0,1,2,3]；

K_I的隶属度选取为：[0,0.5,1,1.5,2,2.5,3]。

（2）制定模糊规则：

根据K_I对系统控制作用的影响，系统当前反馈的偏差及偏差一阶导数的隶属度，总结系统的控制经验，当确定积分常数K_I，其模糊规则可以总结为：

当|e|较大时，为了避免引起较大的超调，应使K_I＝0；

当|e|中等大小时，为了使系统具有较小的超调，应使K_I中等大；

当|e|较小时，为了使系统具有良好的稳态性能，同时避免在设定值附近出现振荡，增加系统的抗干扰性，较小时，应使K_I较大；

较大时，应使K_I较小。

（3）计算模糊积分常数和模糊控制器输出

模糊积分常数K_I总＝K_I+K'_I其中K'_I为经典PID控制中的积分常数，经调试，K'_I选取为68；

模糊控制器输出：

u₂(t)＝K_I总∫e(t)dt      （8）

3、控制器总输出为改进滑模控制器输出与模糊控制器输出之和，

即：u(t)＝u₁(t)+u₂(t)          （9）

经验证，系统响应时间由采用传统滑模控制器的0.132s提高到0.116s，系统稳态误差由1.2%减小到0.9%，因此，采用这种基于改进滑模控制器的控制系统快速性和稳定性均得到提高。

Claims (2)

1.一种基于改进滑模控制器的步进电机控制方法，其特征在于：采用一种新型的控制器对步进电机位置输出进行跟踪控制，步骤如下：

（1）系统将步进电机当前位置输出反馈，并且与给定位置输出进行偏差运算；

（2）将偏差作为基于改进滑模控制器的输入，经控制器运算得到输出，作为步进电机模型的输入；

（3）经步进电机传递函数模型运算得到步进电机位置输出，重复步骤（1）。

2. 根据权利要求1所述的基于改进滑模控制器的步进电机控制方法，其特征在于：该控制器由改进滑模控制器和模糊PID的积分环节并联组成。

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