CN108448965B - 两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统，包括位置混合控制器、第一减法器、第二减法器、变系数PI调节器、两相SVPWM调制模块、三相逆变器、Clark变换模块、超前角度补偿模块、编码器和两相混合式步进电机；本发明还提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法，包括位置混合控制器、变系数PI调节器和超前角度补偿模块的实现方法，本发明的重载闭环驱动系统，相比开环步进电机驱动系统，不会发生丢步现象，能够保证电机精确定位；设备工作速度更高；电机的发热更低，使用寿命更长；且在高速运动过程中还能保持高转矩运行。

Description

两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及一种两相混合式步进电机控制系统，具体涉及一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法。

背景技术

两相混合式步进电机因其自身具有的控制简单、定位精确、成本低等优点而广泛应用于3D打印、电动汽车、纺织机械、工业机器人等领域，但目前大多数应用的步进电机都以开环控制为主，其存在低频振荡、转速不高、带载能力差、失步等缺点。近年来，随着电力电子技术和现代工业应用需求的不断发展，人们对步进电机的控制性能提出了更高(高精度、高响应、高带载能力)的要求，已有的开环控制方法已不能满足驱动要求，对此国内外学者也已提出了一些改进的控制策略。

如文献1(专利号：201710265731.2)提供一种两相混合式步进电机闭环控制装置，通过分析双H桥逆变器拓扑结构设计了一种上下桥臂互补导通对角桥臂同时导通的控制方式，并基于此借鉴了三相空间电压矢量脉宽调制方式，推导了基于双H桥逆变器的空间电压矢量脉宽调制方法，同时设计了积分分离PI调节器，引入了以电流环/速度环为内环和位置环为外环的闭环控制结构，最终形成两相混合式步进电机闭环驱动系统，但该方法存在着电机高速运行中带载能力弱的缺点。文献2(专利号：201610209446.4)提出了一种基于混合处理的高精度电机驱动闭环控制系统，通过光栅尺检测工作台的位置脉冲并反馈给位置调节器，位置调节器根据检测到的实际位移状态，来实时调整输出的脉冲数、频率，使步进电机稳定在正常运行状态，并使实际位置和指令位置一致，从而达到精确定位工作台。该方法虽然提高了电机运行过程中的精度，但还是存在电机高速运行中带载能力弱的缺点，在实际应用中受到一定的限制。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统：包括位置混合控制器、第一减法器、第二减法器、变系数PI调节器、两相SVPWM调制模块、三相逆变器、Clark变换模块、超前角度补偿模块、编码器和两相混合式步进电机；

所述两相混合式步进电机输出两相实际电流i_a、i_b到Clark变换模块，两相混合式步进电机通过编码器输出电机实际反馈位置θ_fed到超前角度补偿模块和位置混合控制器；

所述Clark变换模块根据输入的两相实际电流i_a、i_b，经运算得出实际静止两相坐标系下的电流分量i_αfed、i_βfed，并将实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed输出到第一减法器，将实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed输出到第二减法器；

所述超前角度补偿模块根据输入的实际反馈位置θ_fed、位置混合控制器输入的给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref，经运算得出实际速度n_fed和超前角度θ_c，并将实际速度n_fed输出到变系数调节器，将超前角度θ_c输出到位置混合控制器和两相SVPWM调制模块；

上位机系统将脉冲信号Pluse输入到位置混合控制器；

所述位置混合控制器根据输入的脉冲信号Pluse、电机实际反馈位置θ_fed和超前角度θ_c，经运算得出给定位置角度θ_ref、给定速度n_ref和给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref，并将给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref输出到超前角度补偿模块，将给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref分别输出到第一减法器和第二减法器；

第一减法器根据输入的给定静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αref和实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed，经运算得出α轴的电流误差分量Δi_α，并将α轴的电流误差分量Δi_α输出到变系数PI调节器；

第二减法器根据输入的给定静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βref和实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed，经运算得出β轴的电流误差分量Δi_β，并将β轴的电流误差分量Δi_β输出到变系数PI调节器；

变系数PI调节器根据输入的α、β轴的电流误差分量Δi_α、Δi_β和实际速度n_fed，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，并将静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β输入到两相SVPWM制模块；

两相SVPWM调制模块根据输入的静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，经运算输出6路PWM信号，并将6路PWM信号输入到三相逆变器；通过三相逆变器驱动两相混合式步进电机运行。

本发明还提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法：

所述超前角度补偿模块的超前角度θ_c根据如下公式(一～四)进行计算所得：

e_pos＝θ_ref-θ_fed (一)

e_n＝n_ref-n_fed (二)

n_fed＝θ_fed/dt (三)

θ_c＝Kp_p×e_pos+Kp_n×e_n (四)

e_pos是给定位置角度θ_ref和实际反馈位置θ_fed两者之间的位置误差；e_n是给定速度n_ref和实际速度n_fed之间的误差；Kp_p和Kp_n分别为位置误差和速度误差的前馈比例系数。

本发明还提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法：

变系数PI调节器的静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β根据公式(五和六)进行计算所得：

其中，Kp_α和Kp_β分别是变系数PI调节器的比例系数；Ki_α和Ki_β分别是变系数PI调节器的积分系数；T_i为积分时间常数；

变系数PI调节器的比例系数Kp_α和Kp_β根据公式(七)进行计算所得：

其中，n_s为电机额定转速；Kp_base是Kp_α和Kp_β的初始值；Kp_max＝l×Kp_base，Kp_max是Kp_α和Kp_β的极限值。

本发明还提供一种两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法：

所述位置混合控制器的实现方法如下：

1)当位置混合控制器没有接收到外部脉冲输入信号Pluse时，电机进入开环保持模式Mode＝0，此时，电流矢量的幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

2)在位置混合控制器接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos小于闭环控制切换阀值θ_close时：

当满足位置误差e_pos小于开环控制切换阀值θ_open时，系统进入开环保持模式Mode＝0，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

当位置误差e_pos大于等于开环控制切换阀值θ_open且小于闭环控制切换阀值θ_close时，系统进入开环运行模式Mode＝1，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open1；电流矢量角度θ_g设定为给定位置角度θ_ref；

3)当位置混合控制器接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos大于等于闭环控制切换阀值θ_close时，电机切换到闭环运行控制模式Mode＝2，此时，电流矢量幅值i_ref设定为i_close；电流矢量角度θ_g设定为θ_fed+θ_c；

根据公式(八～十二)计算电流矢量幅值i_ref的赋值：

e_pos＝θ_ref-θ_fed (八)

i_open＝P_openhold×Ip； (九)

i_close＝P_closehold×Ip； (十一)

其中Ip是驱动器的最大电流输出值，P_openhold为开环保持电流与驱动系统最大电流输出值的百分比，P_closehold为闭环运行电流与驱动系统最大电流输出值的百分比；

根据公式(十三)计算电流矢量角度θ_g的赋值：

其中，θ_i是位置误差e_pos的积分计算值；给定位置θ_ref根据外部输入脉冲信号Pluse计算而得；

根据电流矢量幅值i_ref和电流矢量角度θ_g的赋值，由公式(十四)计算给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref和i_βref：

i_αref＝i_ref×cos(θ_g)

i_βref＝i_ref×sin(θ_g) (十四)。

本发明两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法的技术优势为：

本发明的重载闭环驱动系统，相比开环步进电机驱动系统，不会发生丢步现象，能够保证电机精确定位；设备工作速度更高；电机的发热更低，使用寿命更长；且在高速运动过程中还能保持高转矩运行。相比永磁交流伺服驱动系统，无须参数调整，使用更加方便；零速停止稳定，高速停止时不抖动；位置响应极快，尤其适合应用于短距离快速启停场合；成本更低；转矩更大，安装尺寸更小。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统及方法的原理框图；

图2为图1中超前角度补偿模块8的原理框图；

图3为图1中变系数PI调节器4的原理框图；

图4为图1中位置混合控制器1的实现方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统，包括位置混合控制器1、第一减法器2、第二减法器3、变系数PI调节器4、两相SVPWM调制模块5、三相逆变器6、Clark变换模块7、超前角度补偿模块8、编码器9和两相混合式步进电机10；

两相混合式步进电机10通过相应的电流传感器或者电流采集调理电路(相应的电流传感器或者电流采集调理电路为现有公知技术)输出两相实际电流i_a、i_b到Clark变换模块7，两相混合式步进电机10通过编码器9输出电机实际反馈位置θ_fed到超前角度补偿模块8和位置混合控制器1；

Clark变换模块7根据输入的两相实际电流i_a、i_b，经运算得出实际静止两相坐标系下的电流分量i_αfed、i_βfed，并将实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed输出到第一减法器2，将实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed输出到第二减法器3；

超前角度补偿模块8根据输入的实际反馈位置θ_fed、位置混合控制器1输入的给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref，经运算得出实际速度n_fed和超前角度θ_c，并将实际速度n_fed输出到变系数调节器4，将超前角度θ_c输出到位置混合控制器1和两相SVPWM调制模块5；

上位机系统将脉冲信号Pluse输入到位置混合控制器1；

位置混合控制器1根据输入的脉冲信号Pluse、电机实际反馈位置θ_fed和超前角度θ_c，经运算得出给定位置角度θ_ref、给定速度n_ref和给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref，并将给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref输出到超前角度补偿模块8，将给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref分别输出到第一减法器2和第二减法器3；

第一减法器2根据输入的给定静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αref和实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed，经运算得出α轴的电流误差分量Δi_α，并将α轴的电流误差分量Δi_α输出到变系数PI调节器4；

第二减法器3根据输入的给定静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βref和实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed，经运算得出β轴的电流误差分量Δi_β，并将β轴的电流误差分量Δi_β输出到变系数PI调节器4；

变系数PI调节器4根据输入的α、β轴的电流误差分量Δiα、Δi_β和实际速度n_fed，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，并将静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β输入到两相SVPWM制模块5；

两相SVPWM调制模块5根据输入的静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，经运算输出6路PWM信号，并将6路PWM信号输入到三相逆变器6；通过三相逆变器6驱动两相混合式步进电机10运行。

超前角度补偿模块8的超前角度θ_c根据如下公式进行计算：

e_pos＝θ_ref-θ_fed (一)

e_n＝n_ref-n_fed (二)

n_fed＝θ_fed/dt (三)

θ_c＝Kp_p×e_pos+Kp_n×e_n (四)

其中θ_ref是给定位置角度，根据外部输入脉冲信号Pluse计算而得，为现有公知技术；n_ref是给定速度，同样根据外部输入脉冲信号Pluse计算而得，为现有公知技术；θ_fed是实际反馈位置；e_pos是给定位置角度θ_ref和实际反馈位置θ_fed两者之间的误差；；n_fed是实际速度，e_n是给定速度n_ref和实际速度n_fed之间的误差；θ_c是补偿的超前角度值；Kp_p和Kp_n分别为位置误差和速度误差的前馈比例系数(人为设置)。

变系数PI调节器4包含两部分内容：一是根据输入的α、β轴的电流误差分量Δi_α、Δi_β经变系数PI调节器4运算输出静止两相坐标系下的电压分量u_α和uβ，

其中，Kp_α和Kp_β分别是变系数PI调节器4的比例系数；Ki_α和Ki_β分别是变系数PI调节器4的积分系数(人为设置)；T_i为积分时间常数；

二是这个变系数PI调节器4的比例系数根据如下公式进行调整：

其中，n_s为电机额定转速；Kp_α和Kp_β分别是变系数PI调节器4的比例系数；Kp_base是Kp_α和Kp_β的初始值(人为设置)；Kp_max＝l×Kp_base是Kp_α和Kp_β的极限值(其中l人为设置)。

位置混合控制器1的计算方法及过程如下：

首先，根据公式(八～十二)计算电流矢量幅值i_ref的赋值：

e_pos＝θ_ref-θ_fed (八)

i_open＝P_openhold×Ip； (九)

i_close＝P_closehold×Ip； (十一)

其中Ip是驱动器的的最大电流输出值，P_openhold为开环保持电流与驱动系统最大电流输出值的百分比(人为设置)，P_closehold为闭环运行电流与驱动系统最大电流输出值的百分比(人为设置)，θ_open和θ_close分别为系统进行位置开环控制和闭环控制状态切换的阀值(人为设置)，θ_open＜θ_close。

其次，根据公式(十三)计算电流矢量角度θ_g的赋值：

其中，θ_i是位置误差e_pos的积分计算值；θ_ref是给定位置，根据外部输入脉冲信号Pluse计算而得，为现有公知技术；

如根据公式(八～十三)，位置混合控制器1中电流矢量幅值i_ref和电流矢量角度θ_g的具体赋值方法如下：

位置混合控制器1的实现方法如下：

1)当位置混合控制器1没有接收到外部脉冲输入信号Pluse时，电机进入开环保持模式Mode＝0，此时，电流矢量的幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

2)当位置混合控制器1接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos小于闭环控制切换阀值θ_close时：

当满足位置误差e_pos小于开环控制切换阀值θ_open时，系统进入开环保持模式Mode＝0，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

当位置误差e_pos大于等于开环控制切换阀值θ_open且小于闭环控制切换阀值θ_close时，系统进入开环运行模式(Mode＝1)，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open1；电流矢量角度θ_g设定为给定位置角度θ_ref；

3)当位置混合控制器1接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos大于等于闭环控制切换阀值θ_close时，电机切换到闭环运行控制模式Mode＝2，此时，电流矢量幅值i_ref设定为i_close；电流矢量角度θ_g设定为θ_fed+θ_c；

最后，根据电流矢量幅值i_ref和电流矢量角度θ_g的赋值，由公式(十四)计算给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref和i_βref的值。

i_αref＝i_ref×cos(θ_g)

i_βref＝i_ref×sin(θ_g) (十四)

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统，其特征是：包括位置混合控制器(1)、第一减法器(2)、第二减法器(3)、变系数PI调节器(4)、两相SVPWM调制模块(5)、三相逆变器(6)、Clark变换模块(7)、超前角度补偿模块(8)、编码器(9)和两相混合式步进电机(10)；

所述两相混合式步进电机(10)输出两相实际电流i_a、i_b到Clark变换模块(7)，两相混合式步进电机(10)通过编码器(9)输出电机实际反馈位置θ_fed到超前角度补偿模块(8)和位置混合控制器(1)；

所述Clark变换模块(7)根据输入的两相实际电流i_a、i_b，经运算得出实际静止两相坐标系下的电流分量i_αfed、i_βfed，并将实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed输出到第一减法器(2)，将实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed输出到第二减法器(3)；

所述超前角度补偿模块(8)根据输入的实际反馈位置θ_fed、位置混合控制器(1)输入的给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref，经运算得出实际速度n_fed和超前角度θ_c，并将实际速度n_fed输出到变系数调节器(4)，将超前角度θ_c输出到位置混合控制器(1)和两相SVPWM调制模块(5)；

上位机系统将脉冲信号Pluse输入到位置混合控制器(1)；

所述位置混合控制器(1)根据输入的脉冲信号Pluse、电机实际反馈位置θ_fed和超前角度θ_c，经运算得出给定位置角度θ_ref、给定速度n_ref和给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref，并将给定位置角度θ_ref和给定速度n_ref输出到超前角度补偿模块(8)，将给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref、i_βref分别输出到第一减法器(2)和第二减法器(3)；

第一减法器(2)根据输入的给定静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αref和实际静止两相坐标系下的α轴电流分量i_αfed，经运算得出α轴的电流误差分量Δi_α，并将_α轴的电流误差分量Δi_α输出到变系数PI调节器(4)；

第二减法器(3)根据输入的给定静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βref和实际静止两相坐标系下的β轴电流分量i_βfed，经运算得出β轴的电流误差分量Δi_β，并将β轴的电流误差分量Δi_β输出到变系数PI调节器(4)；

变系数PI调节器(4)根据输入的α、β轴的电流误差分量Δi_α、Δi_β和实际速度n_fed，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，并将静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β输入到两相SVPWM制模块(5)；

两相SVPWM调制模块(5)根据输入的静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β，经运算输出6路PWM信号，并将6路PWM信号输入到三相逆变器(6)；通过三相逆变器(6)驱动两相混合式步进电机(10)运行；

所述超前角度补偿模块(8)的超前角度θ_c根据如下公式(一～四)进行计算所得：

e_pos＝θ_ref-θ_fed (一)

e_n＝n_ref-n_fed (二)

n_fed＝θ_fed/dt (三)

θ_c＝Kp_p×e_pos+Kp_n×e_n (四)

e_pos是给定位置角度θ_ref和实际反馈位置θ_fed两者之间的位置误差；e_n是给定速度n_ref和实际速度n_fed之间的误差；Kp_p和Kp_n分别为位置误差和速度误差的前馈比例系数。

2.利用如权利要求1所述的两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统的两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法，其特征是：

变系数PI调节器(4)的静止两相坐标系下的电压分量u_α、u_β根据公式(五和六)进行计算所得：

其中，Kp_α和Kp_β分别是变系数PI调节器(4)的比例系数；Ki_α和Ki_β分别是变系数PI调节器(4)的积分系数；T_i为积分时间常数；

变系数PI调节器(4)的比例系数Kp_α和Kp_β根据公式(七)进行计算所得：

其中，n_s为电机额定转速；Kp_base是Kp_α和Kp_β的初始值；Kp_max＝l×Kp_base，Kp_max是Kp_α和Kp_β的极限值，l人为设置。

3.利用如权利要求1所述的两相混合式步进电机的重载闭环驱动系统的两相混合式步进电机的重载闭环驱动方法，其特征是：

所述位置混合控制器(1)的实现方法如下：

1)当位置混合控制器(1)没有接收到外部脉冲输入信号Pluse时，电机进入开环保持模式Mode＝0，此时，电流矢量的幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

2)在位置混合控制器(1)接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos小于闭环控制切换阀值θ_close时：

当满足位置误差e_pos小于开环控制切换阀值θ_open时，系统进入开环保持模式Mode＝0，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open，电流矢量角度θ_g设定为θ_i；

当位置误差e_pos大于等于开环控制切换阀值θ_open且小于闭环控制切换阀值θ_close时，系统进入开环运行模式Mode＝1，此时电流矢量幅值i_ref设定为i_open1；电流矢量角度θ_g设定为给定位置角度θ_ref；

3)当位置混合控制器(1)接收到外部脉冲输入信号Pluse且当位置误差e_pos大于等于闭环控制切换阀值θ_close时，电机切换到闭环运行控制模式Mode＝2，此时，电流矢量幅值i_ref设定为i_close；电流矢量角度θ_g设定为θ_fed+θ_c；

根据公式(八～十二)计算电流矢量幅值i_ref的赋值：

i_close＝P_closehold×Ip； (十一)

其中Ip是驱动器的最大电流输出值，P_openhold为开环保持电流与驱动系统最大电流输出值的百分比，P_closehold为闭环运行电流与驱动系统最大电流输出值的百分比；

根据公式(十三)计算电流矢量角度θ_g的赋值：

其中，θ_i是位置误差e_pos的积分计算值；给定位置θ_ref根据外部输入脉冲信号Pluse计算而得；

根据电流矢量幅值i_ref和电流矢量角度θ_g的赋值，由公式(十四)计算给定静止两相坐标系下的电流分量i_αref和i_βref：

i_αref＝i_ref×cos(θ_g)

i_βref＝i_ref×sin(θ_g) (十四)。

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