基于模糊PI控制方法的三相混合式步进电机驱动器设计

摘要

步进电机作为一种特种电机，以脉冲波作为控制信号。其在开环控制下能达到较高的运动精度，被广泛应用在小功率以及对运动精度有一定要求的场合。随着人们对其运动精度的要求越来越高，步进电机在传统开环控制方式下，其运动性能已经不能满足要求。同时，步进电机固有的一些缺点也较为严重。如果能够提高步进电机的运动精度，同时改善其固有缺点，将令步进电机的应用范围越来越广。
　　本文以三相混合式步进电机为研究对象，针对上述要求，考虑采用闭环控制的方式提高其运动精度。由于常规PI控制在控制步进电机这类具有时变非线性特点的被控对象时，表现出适应性差的缺点，本文引入模糊PI控制，结合反馈相电流计算补偿电压控制量，使得控制系统能够根据负载的变化调整对步进电机控制，使其达到更高的运动精度。本文的主要工作如下:
　　1.分析三相混合式步进电机的机械结构、运动特性、基本工作方式，从中得出其产生低频振荡、高频失步现象的原因;结合三相混合式步进电机的结构特点建立其近似的数学模型，为后续分析提供一定的参考意义。
　　2.构建电流转速双闭环的步进电机控制系统。针对三相混合式步进电机模型复杂、时变非线性，常规PI控制方法对其控制效果不理想的问题，提出使用模糊PI控制方法来增强控制系统的鲁棒性，设计相应的模糊PI控制器，并运用Matlab/Simulink对该控制系统的设计过程进行相应的仿真，验证其控制效果。
　　3.基于上述理论分析，设计相应的三相混合式步进电机驱动器。给出其硬件各个环节的设计方案，包括液晶、按键、电流检测等模块。软件方面给出其总体框架以及编写主要程序，包括主程序，模糊PI控制子程序，脉宽调制程序和按键中断处理程序等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 步进电机的研究现状

1．2．2 模糊控制技术的研究现状

1．3 本文研究的主要内容和特色

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 研究的主要特色

第2章 三相混合式步进电机

2．1 三相混合式步进电机的机械结构

2．2 三相混合式步进电机的工作原理

2．2．1 矩角特性

2．2．2 动态稳定区

2．2．3 最大负载转矩

2．3 三相混合式步进电机的控制方式

2．3．1 基本控制方式

2．3．2 细分控制

2．4 三相混合式步进电机驱动器概述

2．4．1 驱动器的结构

2．4．2 脉宽调制技术(PWM)

第3章 三相混合式步进电机的模糊PI控制

3．1 三相混合式步进电机的控制策略

3．1．1 开环控制及其存在的问题

3．1．2 电流转速双闭环控制

3．2 模糊PI控制

3．2．1 PID控制算法及其数字化应用

3．2．2 模糊PI控制

3．3 三相混合式步进电机的模糊PI控制

3．3．1 确定隶属度函数

3．3．2 模糊规则库

3．3．3 模糊逻辑推理和解模糊方法

第4章 模糊PI控制系统的建模与仿真

4．1 三相混合式步进电机的磁网络模型

4．1．1 磁网络模型的分析方法

4．1．2 磁网络模型的建立

4．2 三相混合式步进电机的数学模型

4．2．1 三相混合式步进电机的各相反电动势

4．2．2 三相混合式步进电机的各相电感

4．2．3 三相混合式步进电机的数学模型

4．3 仿真和分析

4．3．1 仿真模型的搭建

4．3．2 仿真结果及分析

第5章 三相混合式步进电机驱动器的软硬件设计

5．1 驱动器的硬件设计

5．1．1 控制电路设计

5．1．2 驱动电路设计

5．2 驱动器的软件设计

5．2．1 主程序

5．2．2 按键控制子程序

5．2．3 模糊PI控制子程序

5．2．4 PWM(脉宽调制)子程序

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果