步进电机位置伺服系统的多模态控制策略研究

摘要

步进电机开环控制的优势显而易见，不仅成本低廉，不需要昂贵的传感器或光电编码器这样的反馈设备，而且控制系统搭建简单易操作，使其能在一定范围内满足精度要求。但是由于目前各个行业对加工精度要求的提高，步进电机的开环控制已经在很大范围内的应用受到了限制，步进电机的低频振荡以及高频失步的问题是迫切需要解决的问题。目前针对应用最广的两相混合式步进电机，如何建立精确的数学模型并结合主流的智能控制算法实现精准稳定的位置控制已成为行业内的发展方向。
　　论文深入研究了两相混合式步进电机的结构、原理及运行特性，通过dq坐标变换和两相电压SVPWM技术实现了两相混合式步进电机的电流控制方案并以此为基础通过对电机进行速度闭环和位置闭环控制实现了伺服系统总体方案。论文以DSP28335为主控芯片完成了系统硬件设计，搭建了全闭环的位置伺服系统。针对两相混合式步进电机运行过程中非线性等不确定因素，采用了GA-RBF神经网络对系统进行辨识，得到了两相混合式步进电机运行系统的数学模型，为控制策略的研究打下基础。
　　论文提出了基于模糊控制和模糊PID控制的多模态位置环控制策略，它可以使位置控制器在不同的系统模态下选择较为合适控制策略，最终实现快速、精确、稳定的位置控制。分别设计了位置环的模糊控制器和模糊PID控制器，运用多模态控制理论，实现了基于模糊控制和模糊PID控制的多模态位置控制器，然后分别对上述控制器进行Simulink建模仿真。从仿真的结果来看，多模态控制器较好地综合了模糊控制和模糊PID控制的优势，系统响应速度快，低速震荡小，精度高，抗干扰能力强且有良好的跟踪能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 步进电机位置伺服系统

1．3 步进电机控制策略研究现状

1．4 论文研究的主要内容

2 两相混合式步进电机的原理、特性及系统总体方案

2．1 混合式步进电机的结构

2．2 两相混合式步进电机的工作原理

2．2．1 两相混合式步进电机的工作状态

2．2．2 两相混合式步进电机的驱动方式

2．3 两相混合式步进电机的运行特性分析

2．3．1 静态转矩特性

2．3．2 动态转矩特性

2．3．3 暂态转矩特性

2．4 两相混合式步进电机的数学模型

2．5 两相混合式步进电机系统总体方案

2．5．1 常用坐标系及其变换原理

2．5．2 两相混合式步进电机电流控制原理

2．5．3 两相电压SVPWM技术

2．5．4 两相混合式步进电机系统总体方案的实现

2．6 本章小结

3 两相混合式步进电机伺服系统硬件设计

3．1 步进电机伺服系统性能指标

3．2 硬件设计

3．2．1 DSP最小系统

3．2．2 电源电路

3．2．3 MAX232通信电路

3．2．4 功率驱动电路

3．2．5 电流采样／调理电路

3．2．6 过压／过流保护电路

3．2．7 其他硬件模块介绍

3．3 本章小结

4 基于GA-RBF的两相混合式步进电机系统辨识

4．1 系统辨识概述

4．1．1 系统辨识的特点

4．1．2 系统辨识的步骤

4．2 RBF神经网络

4．2．1 神经网络基础

4．2．2 RBF神经网络基本知识

4．2．3 RBF神经网络的学习算法

4．3 遗传算法

4．3．1 遗传算法的基本思想

4．3．2 遗传算法的优点

4．3．3 遗传算法的实现流程

4．4 GA-RBF系统辨识

4．4．1 GA-RBF系统辨识方案

4．4．2 辨识数据的获取与预处理

4．4．3 GA-RBF系统辨识实验与结果

4．5 本章小结

5 两相混合式步进电机的多模态控制策略

5．1 模糊控制系统设计

5．1．1 模糊控制理论的基本思想

5．1．2 模糊控制器设计

5．2 模糊PID控制系统设计

5．2．1 模糊PID控制理论的基本思想

5．2．2 模糊PID控制器设计

5．3 多模态控制系统设计

5．3．1 多模态控制方式的原理

5．3．2 多模态切换方式及控制器设计‘

5．4 仿真结果与分析

5．4．1 阶跃信号的仿真结果与分析

5．4．2 正弦信号的仿真结果与分析

5．5 本章小结

6 论文总结与展望

6．1 论文主要工作和成果

6．2 论文创新点

6．3 后续工作展望

致谢

参考文献

附录A攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况