两相混合式步进电机高性能闭环驱动系统研究

摘要

两相混合式步进电机因其控制简单、定位精确、成本低等优点而广泛应用于工业和消费电子领域。步进电机的控制在传统应用场合下大多以开环控制为主，其主要存在低频振荡、转速不高、带载能力差、失步等缺点。近年来，随着现代工业应用的不断发展，人们对步进电机的应用场合提出了越来越高的要求，追求更高精度和动态响应以及提高高速带载能力成为新的研究热点。因此深入研究步进电机控制系统以提高其控制性能具有实际的工程意义和理论意义。
　　首先，本文在深入研究步进电机的运行机理和永磁交流伺服系统闭环控制机理的基础上，推导了其在dq坐标系下的数学模型，确定了闭环控制系统的原理框图;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(SVPWM)方式，重新推导了基于双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高性能闭环驱动系统。
　　其次，为了验证方案的可行性。基于Matlab/Simulink建立了闭环控制系统的仿真模型，该仿真模型中包括积分分离PI调节器模型、电机模型、Park变换及其反变换、SVPWM模型等模型，其中SVPWM模型和积分分离PI调节器模型主要采用的是M语言实现的;并同时从多个方面对该系统模型进行了仿真分析，最终论证了本文设计方案的可行性。
　　然后，结合本文控制算法设计了驱动系统的硬件。该硬件包括控制核心及其外围电路、双H桥逆变电路、PWM隔离驱动电路、电流采样和过流保护电路、外部信号输入输出电路和通讯电路等电路，其中控制核心采取的是TI公司生产的DSP芯片。同时，因电路安全的重要性，基于仿真软件multisim对电流采样和过流保护电路进行了仿真，结果表明其能够实现保护功能。
　　最后，以模块化的思想利用C语言编写了两相混合式步进电机高性能闭环驱动系统控制程序，其中包括了转子初始定位程序、电流的模数转换程序、SVPWM算法程序、积分分离PI程序、编码器解码程序等。同时，从多方面进行了必要的实验测试及分析，最终证明了本文提出的控制算法的正确性及优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 步进电机控制系统的发展现状及趋势

1．2．1 步进电机本体的研究现状

1．2．2 步进电机控制技术的发展

1．3 本文主要工作和研究内容

第二章 两相混合式步进电机的基本原理分析

2．1 两相混合式步进电机的工作原理分析

2．2 两相混合式步进电机的数学模型推导

2．2．1 两相混合式步进电机的数学模型

2．2．2 两相混合式步进电机在dq坐标系下数学模型

2．2 本章小结

第三章 基于两相SVPWM的混合式步进电机闭环驱动系统的控制算法研究

3．1 步进电机闭环驱动系统的整体方案设计

3．2 SVPWM的基本原理分析

3．2．1 三相SVPWM的基本原理简介

3．2．2 两相SVPWM的参数推导

3．3 Park交换与Park反变换

3．4 闭环控制器设计

3．4．1 速度环／电流环控制器设计

3．4．2 位置环控制器设计

3．5 本章小结

第四章 两相混合式步进电机闭环驱动系统的建模与仿真分析

4．1 系统建模

4．2 系统仿真分析

4．2．1 电流控制性能分析

4．2．2 速度控制性能分析

4．2．3 位置控制性能分析

4．2．4 抗负载扰动能力分析

4．3 本章小结

第五章 两相混合式步进电机闭环驱动系统的硬件设计

5．1 硬件总体结构设计

5．2 控制部分电路设计

5．2．1 控制核心TMS320F28035的介绍

5．2．2 主控芯片电路设计

5．3 电源电路设计

5．4 驱动电路设计

5．5 采样调理电路和保护电路设计

5．5 通讯电路设计

5．6 输入输出电路设计

5．8 硬件实物图

5．9 本章小结

第六章 系统软件设计与实验测试

6．1 系统软件设计

6．1．1 软件主程序设计

6．1．2 中断服务程序

6．1．3 电流采样模块

6．1．4 速度采样和位置采样

6．1．5 积分分离PI算法的数字化实现

6．2 实验平台的搭建

6．3 实验结果及分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢