CN110429878B - 一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 - Google Patents
一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110429878B CN110429878B CN201910665028.XA CN201910665028A CN110429878B CN 110429878 B CN110429878 B CN 110429878B CN 201910665028 A CN201910665028 A CN 201910665028A CN 110429878 B CN110429878 B CN 110429878B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- disturbance rejection
- theta
- angular displacement
- active disturbance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 8
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
- H02P8/12—Control or stabilisation of current
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Stepping Motors (AREA)
Abstract
一种步进电机式电‑机械转换器的双自抗扰控制方法，包括：(1)将步进电机式电‑机械转换器的角位移输入信号θi(t)与其实际角位移信号θ(t)输入到位置闭环自抗扰控制器，结合前馈控制，运算后得到理论磁场角位移信号θm(t)；(2)对θm(t)加以限制以保证失调角在半个齿距角范围；根据限制后的θm(t)分解得到各相绕组理论控制电流；(3)将各相绕组电流检测电路所测得实际电流与理论控制电流输入到相应的电流闭环自抗扰控制器，产生各相绕组的PWM信号；(4)由PWM信号控制驱动电路驱动所述步进电机转动。本发明解决了步进式电‑机械转换器快速性与超调之间的矛盾；且不依赖于步进式电‑机械转换器的具体数学模型，对其内外扰动实时估计并精确补偿，提高抗扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机式电-机械转换器的自抗扰控制方法。
背景技术
二维伺服阀是浙江工业大学阮健等在2002年提出的一种新型结构伺服阀，相对其他伺服阀具有功率重量比高、结构简单、零位泄露小、抗污染能力强和动态性能好等优点。二维伺服阀已经在许多工作场合得到应用，比如静力加载伺服系统、地震体验电液系统、电液伺服同步控制系统、电液疲劳试验机的激振器系统、液压弹射机构等。二维伺服阀将步进电机作为电-机械转换器，在对二维伺服阀进行控制时步进电机将输入的位移信号通过传动机构作用于阀芯，从而控制阀芯的运动。步进电机的静动态特性对二维伺服阀的性能起着关键的作用。
现有技术中，对二维伺服阀步进式电-机械转换器的控制常采用传统PID算法，传统PID算法虽然结构简单，易于实现，但仍然存在一定的局限性，在实际应用过程中，传统的PID控制系统受负载变化及电机参数变化的影响较大，因此，控制性能受到很大影响。自适应控制、预测控制、内模控制等现代控制策略在步进电机控制研究领域受到了广泛关注。但是，自适应控制算法复杂，对处理器性能要求较高；预测控制算法存在模型预测精度不高、滚动优化策略少、反馈校正方法单调等问题；内模控制器的固定时间常数在鲁棒性与快速性之间存在矛盾。
自抗扰控制器是一种新型的非线性控制器，其可将模型内扰、模型及参数的摄动和不可测外扰的作用归结为系统的总扰动，并利用误差反馈的方法对其进行实时估计并给予补偿。双自抗扰控制方法细化考虑了位置闭环中的扰动因素(摩擦力、磁滞效应等)以及电流闭环中的扰动因素(涡流、磁场等)，使其对未知模型和扰动的估计更加准确，结合其非线性控制策略，使步进式电-机械转换器运动控制系统获得更好的鲁棒性和动态性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法，本发明方法步骤简单，增强了系统的抗负载扰动和抗电机参数变化的能力，提高了系统的控制精度及鲁棒性，实用性强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法，包括以下步骤：
(1)将步进电机式电-机械转换器的角位移输入信号θi(t)以及传感器采集到的转子实际角位移信号θ(t)输入到位置闭环自抗扰控制器中，运算后输出的us(t)为角位移控制信号，其表达式为：
其中，fal(ε,α,δ)为非线性组合函数。
式中，αs0,αs1,αs2为位置自抗扰控制器非线性因子；δs0,δs1,δs2为位置自抗扰控制器滤波参数；θ11为参考输入θi(t)安排的过渡过程；θ21为电机转子实际角位移信号θ(t)的跟踪项；θ22为步进电机系统位置闭环内外扰动总和的估计项；rs为位置跟踪速度因子；βs1为位置扩张状态观测器中θ(t)估计值的输出误差校正增益；βs2为扩张状态观测器系统扰动估计值的输出误差校正增益；βs3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；us为角位移控制信号，位置自抗扰控制器的输出量；bs为位置补偿因子。
(2)将位置闭环自抗扰控制器的输出角位移控制信号us(t)前馈补偿，得到理论磁场角位移信号θm(t)；为防止步进电机失步并获得最大电磁力矩，对理论磁场角位移信号θm(t)加以限制以保证失调角在半个齿距角范围内。
(3)根据限制后的磁场角位移进行电流分解，得到各相步进电机相应绕组的理论控制电流ia(t)、ib(t)；采集各相绕组实际电流iaf(t)、ibf(t)，将所述理论控制电流和实际电流输入到电流闭环自抗扰控制器中，运算后输出各相绕组的PWM占空比信号ua(t)、ub(t)，其表达式为：
式中，αi0,αi1,αi2为电流自抗扰控制器非线性因子；δi0,δi1,δi2为电流自抗扰控制器滤波参数；i11为参考输入ii(t)安排的过渡过程；i21为电机绕组实际电流iif(t)的跟踪项；i22为步进电机系统电流闭环内外扰动总和的估计项；ri为电流跟踪速度因子；βi1为电流扩张状态观测器中θ(t)估计值的输出误差校正增益；βi2为电流扩张状态观测器系统扰动估计值的输出误差校正增益；βi3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；ui为PWM占空比信号，电流自抗扰控制器的输出控制量；bi为电流补偿因子。
(4)PWM信号控制电机驱动电路，从而控制各相绕组的电流，变化的电流形成旋转磁场，在旋转磁场作用下控制电机转子的转动。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明结合自抗扰控制器的控制特性、步进电机的数学模型，设计了步进电机运动控制系统的位置闭环自抗扰控制器和电流闭环自抗扰控制器，对其设计步骤、设计方法作了详细描述，对跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)以及非线性状态反馈控制律(NLSEF)的各个参数作了详细描述，所设计的步进电机控制器能够实现电机转子角位移的精确快速定位，同时提升了步进电机系统的鲁棒性和动态性能。
2、本发明通过Matlab/Simulink仿真环境结合大量实验，对基于自抗扰控制器的步进电机运动控制系统和基于PID控制器的步进电机运动控制系统进行了对比研究，仿真及实验结果都表明自抗扰控制器系统的鲁棒性、动态性能和控制精度均优于传统PID控制系统。
3、本发明的方法步骤简单，增强了步进电机系统的抗负载扰动和抗电机参数变化的能力，提高了步进电机系统的控制精度及鲁棒性，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
附图说明
图1是本发明方法的控制原理图。
图2是本发明方法的位置闭环自抗扰控制器原理图。
图3是本发明方法的电流闭环自抗扰控制器原理图。
图4是本发明方法的位置、电流双闭环控制的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
下面以二维伺服阀用两相混合式步进电机电-机械转换器为例，结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1、图2、图3、图4，一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
(1)将步进电机式电-机械转换器的角位移输入信号θi(t)以及传感器采集到的转子实际角位移信号θ(t)输入到位置闭环自抗扰控制器中，运算后输出的us(t)为角位移控制信号，其表达式为：
其中，fal(ε,α,δ)为非线性组合函数。
式中，αs0,αs1,αs2为位置自抗扰控制器非线性因子；δs0,δs1,δs2为位置自抗扰控制器滤波参数；θ11为参考输入θi(t)安排的过渡过程；θ21为电机转子实际角位移信号θ(t)的跟踪项；θ22为步进电机系统位置闭环内外扰动总和的估计项；rs为位置跟踪速度因子；βs1为位置扩张状态观测器中θ(t)估计值的输出误差校正增益；βs2为扩张状态观测器系统扰动估计值的输出误差校正增益；βs3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；us为角位移控制信号，位置自抗扰控制器的输出量；bs为位置补偿因子。
(2)将位置闭环自抗扰控制器的输出角位移控制信号us(t)前馈补偿，得到理论磁场角位移信号θm(t)；为防止步进电机失步并获得最大电磁力矩，对理论磁场角位移信号θm(t)加以限制以保证失调角在半个齿距角范围内。
(3)根据限制后的磁场角位移进行电流分解，得到各相步进电机相应绕组的理论控制电流ia(t)、ib(t)；采集各相绕组实际电流iaf(t)、ibf(t)，将所述理论控制电流和实际电流输入到电流闭环自抗扰控制器中，运算后输出各相绕组的PWM占空比信号ua(t)、ub(t)，其表达式为：
式中，αi0,αi1,αi2为电流自抗扰控制器非线性因子；δi0,δi1,δi2为电流自抗扰控制器滤波参数；i11为参考输入ii(t)安排的过渡过程；i21为电机绕组实际电流iif(t)的跟踪项；i22为步进电机系统电流闭环内外扰动总和的估计项；ri为电流跟踪速度因子；βi1为电流扩张状态观测器中θ(t)估计值的输出误差校正增益；βi2为电流扩张状态观测器系统扰动估计值的输出误差校正增益；βi3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；ui为PWM占空比信号，电流自抗扰控制器的输出控制量；bi为电流补偿因子。
(4)PWM信号控制电机驱动电路，从而控制各相绕组的电流，变化的电流形成旋转磁场，在旋转磁场作用下控制电机转子的转动。
本实施例以两相混合式步进电机为例，结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例的工作过程；如图1、图2、图3、图4所示，在两相混合式步进电机的定子两相中通入一定相位差的连续变化的正弦电流ia(t)、ib(t)，在步进电机内部会产生一旋转磁场其(角位移为θm(t))，在旋转磁场作用下，步进电机转子(其角位移为θ(t))便以与交流电流频率相对应的转速跟随旋转磁场运动。为了保证步进电机作为电-机械转换器既有较高的响应速度，同时又保证其具有较高的定位精度，采用了如图所示的双自抗扰控制方法。双自抗扰控制中一个是位置闭环自抗扰控制，另一个为电流闭环自抗扰控制。位置闭环是为了控制步进电机转子的位置与输入信号保持一致。其控制方法是将步进电机转子实际角位移θ(t)与期望角位移信号θi(t)输入到位置自抗扰控制器中，运算得到理论磁场角位移信号θm(t)。由于失调角超过半个齿距角，步进电机会产生失步，因此还必须对θm(t)加以限制以保证失调角在半个齿距角范围内。根据限制后的磁场角位移进行电流分解，可以得到相应绕组的所需的控制电流ia(t)、ib(t)，再由电流闭环控制步进电机转子跟随输入信号运动。电流闭环是为了控制各相绕组的实际电流iaf(t)、ibf(t)，使其和各相输入电流ia(t)、ib(t)保持一致，从而得到所需要的控制步进电机转子运动的旋转磁场。其控制方法是：将电流检测电路所测得步进电机绕组的实际电流iaf(t)、ibf(t)与所需控制的输入电流ia(t)、ib(t)输入到电流自抗扰控制器，运算产生各个绕组的PWM信号，再由PWM信号控制驱动电路驱动步进电机转动，从而控制各个绕组的电流，获得所需要的旋转磁场，由旋转磁场控制步进电机转子的运动。在双自抗扰控制下，步进电机电-机械转换器可以快速无失步地连续跟踪输入信号运动，阀芯可以在任意位置快速定位，同时由于自抗扰控制器不依赖于被控系统具体数学模型即可对内外扰动实时估计并精确补偿的特性，大大提高了系统的抗扰能力和鲁棒性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法，包括以下步骤：
(1)将步进电机式电-机械转换器的角位移输入信号θi(t)以及传感器采集到的转子实际角位移信号θ(t)输入到位置闭环自抗扰控制器中，运算后输出的us(t)为角位移控制信号，其表达式为：
其中，fal(e,α,δ)为非线性组合函数；
式中，αs0,αs1,αs2为位置闭环自抗扰控制器非线性因子；δs0,δs1,δs2为位置闭环自抗扰控制器滤波参数；θ11为角位移输入信号θi(t)安排的过渡过程；θ21为电机转子实际角位移信号θ(t)的跟踪项；θ22为步进电机系统位置闭环内外扰动总和的估计项；rs为位置跟踪速度因子；βs1为位置扩张状态观测器中θ(t)估计值的输出误差校正增益；βs2为位置扩张状态观测器的系统扰动估计值的输出误差校正增益；βs3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；us为角位移控制信号，位置闭环自抗扰控制器的输出量；bs为位置补偿因子；
(2)将位置闭环自抗扰控制器的输出角位移控制信号us(t)前馈补偿，得到理论磁场角位移信号θm(t)；为防止步进电机失步并获得最大电磁力矩，对理论磁场角位移信号θm(t)加以限制以保证失调角在半个齿距角范围内；
(3)根据限制后的理论磁场角位移信号进行电流分解，得到各相步进电机相应绕组的理论控制电流ia(t)、ib(t)；采集各相绕组实际电流iaf(t)、ibf(t)，将所述理论控制电流和实际电流输入到电流闭环自抗扰控制器中，运算后输出各相绕组的PWM占空比信号ua(t)、ub(t)，其表达式为：
式中，αi0,αi1,αi2为电流闭环自抗扰控制器非线性因子；δi0,δi1,δi2为电流闭环自抗扰控制器滤波参数；i11为理论控制电流ii(t)安排的过渡过程，其中下标i＝{a,b}，表示各相步进电机相应绕组；i21为电机绕组实际电流iif(t)的跟踪项；i22为步进电机系统电流闭环内外扰动总和的估计项；ri为电流跟踪速度因子；βi1为电流扩张状态观测器中iif(t)估计值的输出误差校正增益；βi2为电流扩张状态观测器的系统扰动估计值的输出误差校正增益；βi3为非线性状态反馈控制律输出误差校正增益；ui为PWM占空比信号，电流闭环自抗扰控制器的输出控制量；bi为电流补偿因子；
(4)PWM占空比信号控制电机驱动电路，从而控制各相绕组的电流，变化的电流形成旋转磁场，在旋转磁场作用下控制电机转子的转动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910665028.XA CN110429878B (zh) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | 一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910665028.XA CN110429878B (zh) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | 一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110429878A CN110429878A (zh) | 2019-11-08 |
| CN110429878B true CN110429878B (zh) | 2021-07-27 |
Family
ID=68411875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910665028.XA Active CN110429878B (zh) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | 一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110429878B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112242804B (zh) * | 2020-09-15 | 2022-03-18 | 浙江工业大学 | 步进式电-机械转换器的自抗扰同步跟踪控制方法 |
| CN114301355B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-10-27 | 华中科技大学 | 一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法 |
| CN117543905B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-03-22 | 深圳市英士达机电技术开发有限公司 | 一种集成型闭环步进电机 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4129788B2 (ja) * | 2002-10-09 | 2008-08-06 | ソニー株式会社 | 画像データ処理装置および方法、記録媒体、並びにプログラム |
| CN109739080A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-05-10 | 浙江工业大学 | 基于神经网络二维伺服阀步进式电-机械转换器的控制方法 |
-
2019
- 2019-07-23 CN CN201910665028.XA patent/CN110429878B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110429878A (zh) | 2019-11-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110429878B (zh) | 一种步进电机式电-机械转换器的双自抗扰控制方法 | |
| CN102969968B (zh) | 一种永磁同步电机控制方法 | |
| Nollet et al. | Observer-based second order sliding mode control laws for stepper motors | |
| CN104242769A (zh) | 基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法 | |
| CN105577058A (zh) | 基于新型模糊自抗扰控制器的五相容错永磁电机速度控制方法 | |
| Brock et al. | New approaches to selected problems of precise speed and position control of drives | |
| CN110138298B (zh) | 一种永磁同步电机滑模控制方法 | |
| CN110165953B (zh) | 一种基于趋近律的pmsm调速控制方法 | |
| CN109194208A (zh) | 无速度传感器控制方法 | |
| CN112187130A (zh) | 用于控制永磁同步电机的方法和系统 | |
| Krishnan et al. | Design of robust H-infinity speed controller for high performance BLDC servo drive | |
| Zhan et al. | Model predictive and compensated ADRC for permanent magnet synchronous linear motors | |
| Zhang et al. | Precision motion control of permanent magnet linear motors | |
| Kandoussi et al. | Real time implementation of a new fuzzy-sliding-mode-observer for sensorless IM drive | |
| Zaky | Robust chatter-free continuous VSC for the speed control of electrical motor drives using adaptive feedback gain | |
| CN116638544A (zh) | 一种基于超局部模型的关节模组协同控制方法 | |
| CN102790576B (zh) | 一种无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法 | |
| Feifei et al. | Sensorless speed control of permanent magnet synchronous motor based on RBF neural network | |
| Sheng et al. | Adaptive fast terminal sliding mode control based on radial basis function neural network for speed tracking of switched reluctance motor | |
| Hu et al. | Research on injection molding machine drive system based on model predictive control | |
| Yun-fei et al. | Position/force control with a lead compensator for PMLSM drive system | |
| Yoo et al. | Design of a variable reference current controller for micro-stepping motor based on vibration and missing step characteristic data | |
| CN114024473A (zh) | 一种基于齿隙补偿的永磁同步电机伺服系统的抗干扰复合控制方法 | |
| Yang et al. | Research on Simulation Model Control Strategy of Brushless DC Motor Based on MATLAB | |
| Hamid et al. | Developing the Hybrid Stepper Motor Model for Tracking Purpose Using New Methodology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |