專利名稱：步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法
技術領域：
本發明涉及一種步進電機輸出角位移的連續跟蹤控制方法，尤其涉及一種作為電 液控制元件用電-機械轉換器的步進電機閉環連續跟蹤控制方法
背景技術：
電-機械轉換器作為電液伺服閥的核心部件，是電液伺服閥的電_機械轉換接口， 其功能是實時快速地將輸入電信號轉換為閥芯的機械動作。步進電機因其具有獨特的位置 與速度可開環數控的特點而被使用于電液控制元件中作為電-機械轉換器構成數字閥或 離散式比例閥。在電液控制元件中步進電機將輸出的信號通過步進運動作用于閥心，產生 閥心的離散式的輸出。在這個過程中步進電機相當于一個機械式的D/A轉換器，它將輸入 的連續位移信號轉換成轉子輸出的步距角位移，其最小的量化單位為一個步距角，精度取 決于步 進電機整個工作行程所對應的步數。步進電機作為電-機械轉換器的這種特性決定 了電液控制元件在設計過程中不可避免的控制精度和響應速度難于同時得到保證的缺陷 選擇較多的工作步數，電液控制元件的精度提高，但是響應速度慢；反之，選擇較少的工作 步數，響應速度加快，但卻使得離散誤差加大。

發明內容
為了克服現有的步進電機作為電液控制元件用電_機械轉換器時所固有的控制 精度和響應速度難于同時得到保證、輸出角位移不能精確快速定位的缺陷，本發明提供了 一種能同時保證控制精度和響應速度、角位移可以在任意位置精確快速地定位的步進電機 電_機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，所述閉環連續跟蹤控制 方法包括以下步驟(1)、對步進電機采用同步電機的控制方法，在步進電機定子各相通入設定相位差 的連續變化的正弦電流；(2)、將步進電機轉子實際角位移θ (t)反饋到輸入端與輸入信號Qi (t)比較形 成偏差，由偏差信號經PiD運算得到理論磁場角位移信號em(t)；對理論磁場角位移信號 θπω加以限制以保證失調角在半個齒距角范圍內6m(t)-Nr θ (t) I < π上式中Nr為步進電動機轉子齒數；根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流；(3)、將電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流反饋后分別與所需控制的 輸入電流進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生各個繞組 的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動所述步進電機轉動，實現快速無失步地連續跟 蹤輸入信號運動。
進一步，所述步進電機為兩相步進電機，所述設定相位差為90° ；在所述步驟(2) 中，根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、ib(t)ia(t) = ImCos θm(t)ib(t) = ImSin θm(t)上式中，Im為步進電動機繞組電流幅值。或者是所述步進電機為三相步進電機，所述設定相位差為120° ；在所述步驟 (2)中，根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、 ib(t)、 ic(t)。<formula>formula see original document page 5</formula>其中ia(t) = ImCOS 0m(t)i0 (t) = ImSin θm(t)上式中，Im為步進電動機繞組電流幅值。再進一步，所述PID運算采用數字遞推式PID算法，其計算公式為<formula>formula see original document page 5</formula>其中KP-比例系數；T1-積分系數；Td-微分系數；k_ 采樣序號，k = 0，1，2，......；T-采樣周期Uk-第k次采樣時刻的計算機輸出值，可以是角位移或者相電流等；Uh-第k_l次采樣時刻的計算機輸出值；Auk-Hk次采樣時刻的計算機輸出值增量ek-第k次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_r第k-Ι次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_2-第k_2次采樣時刻輸入值的偏差值。本發明的技術構思為為克服現有的步進電機作為電液控制元件用電-機械轉換 器時所固有的控制精度和響應速度難于同時得到保證的缺陷，使得其輸出角位移可以在任 意位置精確快速地定位，應對步進電機采用同步電機的控制方法，在步進電機定子各相通 入一定相位差的連續變化的正弦電流(二相步進電機電流相位差90° ；三相步進電動機 電流相位差120° )，便會形成圓形的旋轉磁場矢量，在正常工作過程中電機轉子的角位移 θ (t)和旋轉磁場的角位移em(t)保持著跟蹤關系。旋轉磁場的角位移em(t)發生變化， 則將對轉子產生一個磁力矩，驅動其轉到由轉子齒和定子齒的相對位置所確定的最大磁導位置。因而連續控制旋轉磁場的角位移便可實現對轉子角位移的連續控制。在旋轉磁場作用下，步進電機轉子便以與交流電流頻率相對應的轉速跟隨旋轉磁 場運動。為了保證步進電機作為電-機械轉換器時既有較高的響應速度，同時又具有較高 的定位精度，采用如圖2所示的雙閉環控制方法。對步進電機采用同步電機的控制方法，通過雙閉環控制將失調角限制在半個齒距 角之內，保證步進電機作為電-機械轉換器時可以無失步快速地跟隨輸入信號的運動，使 其在任意角位置定位，提高了其動態特性。本發明的有益效果主要表現在能同時保證控制精度和響應速度、角位移可以在 任意位置精確快速地定位。


圖1是步進電機的同步控制原理，其中圖1 (a)為步進電機的結構圖，以及ia、ib的 電流波形示意圖；圖1(b)為圖1(a)的局部放大示意圖。圖2是兩相混合式步進電機電_機械轉換器的雙閉環控制原理框圖。圖3是雙閉環控制算法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖1、圖2和圖3，一種步進電機電_機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，所 述閉環連續跟蹤控制方法包括以下步驟(1)、對步進電機采用同步電機的控制方法，在步進電機定子各相通入設定相位差 的連續變化的正弦電流；(2)、將步進電機轉子實際角位移θ (t)反饋到輸入端與輸入信號Qi (t)比較形 成偏差，由偏差信號經PiD運算得到理論磁場角位移信號em(t)；對理論磁場角位移信號 θπω加以限制以保證失調角在半個齒距角范圍內6m(t)-Nr θ (t) I < π上式中Nr為步進電動機轉子齒數。根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流；(3)、將電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流反饋后分別與所需控制的 輸入電流進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生各個繞組 的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動所述步進電機轉動，實現快速無失步地連續跟 蹤輸入信號運動。所述步進電機為兩相步進電機，所述設定相位差為90° ；在所述步驟(2)中，根據 限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、ib(t)ia(t) = ImCos θm(t)ib(t) = ImSin θm(t)上式中，Im為步進電動機繞組電流幅值。或者是所述步進電機為三相步進電機，所述設定相位差為120° ；在所述步驟(2)中，根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、<formula>formula see original document page 7</formula>
其中<formula>formula see original document page 7</formula>
上式中，Im為步進電動機繞組電流幅值。所述PID運算采用數字遞推式PID算法；當然，也可以采用其他形式的PID算法來 實現。本實施例中，該雙閉環控制方法中一個是位置反饋閉環控制，另一個為電流反饋 閉環控制。位置閉環控制是為了控制步進電機轉子的位置與輸入信號保持一致。其控制方 法是將步進電機轉子實際角位移Θ (t)反饋到輸入端與輸入信號ejt)比較形成偏差， 由偏差信號經PiD運算得到理論磁場角位移信號em(t)。由于失調角超過半個齒距角，步 進電機會產生失步，因此還必須對理論磁場角位移信號θωα)加以限制以保證失調角在半 個齒距角范圍內6m(t)-Nr θ (t) I < 3i上式中Nr為步進電動機轉子齒數。根據限制后的磁場角位移進行電流分解后可以得到相應繞組所需的控制電流，再 由電流閉環控制步進電機轉子跟隨輸入信號運動。電流閉環是為了控制各相繞組的實際電 流，使其和各相輸入電流保持一致，從而得到所需要的控制步進電機轉子運動的旋轉磁場。 其控制方法是將電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流反饋后分別與所需控制的 輸入電流進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生各個繞組 的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動步進電機轉動，從而控制各個繞組的電流，獲 得所需要的旋轉磁場，由旋轉磁場控制步進電機轉子的運動。在雙閉環控制下，步進電機作 為電-機械轉換器可以快速無失步地連續跟蹤輸入信號運動，在任意角位置定位，并且具 有良好的動態性能。上述雙閉環控制中的位置和電流反饋，都使用了數字遞推式PID算法，其計算公 式如下<formula>formula see original document page 7</formula>
其中KP-比例系數；T1-積分系數；Td-微分系數；k_ 采樣序號，k = 0，1，2，......；T-采樣周期
Uk-第k次采樣時刻的計算機輸出值，可以是角位移或者相電流等；Uh-第k_l次采樣時刻的計算機輸出值；Auk-Hk次采樣時刻的計算機輸出值增量ek-第k次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_r第k-Ι次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_2-第k_2次采樣時刻輸入值的偏差值；本實施例以兩相混合式步進電機為例，結合附圖對本發明作進一步說明。本實施例的工作過程如圖1、圖2和圖3所示，在兩相混合式步進電機的定子兩相中通入一定相位差的連續變化的正弦電流、(0、、(0，在步進電機內部會產生一旋轉磁 場(其角位移為θm(t))，在旋轉磁場作用下，步進電機轉子(其角位移為Θ (t))便以與交 流電流頻率相對應的轉速跟隨旋轉磁場運動。為了保證步進電機作為電-機械轉換器既有 較高的響應速度，同時又保證其具有較高的定位精度，采用了如圖2所示的雙閉環控制方 法。雙閉環中一個是位置反饋閉環，另一個為電流反饋閉環。位置閉環是為了控制步進電機 轉子的位置與輸入信號保持一致。其控制方法是將步進電機轉子實際角位移θ (t)反饋 到輸入端與輸入信號9i(t)比較形成偏差，由偏差信號經PID運算得到理論磁場角位移信 號θm(t)。由于失調角超過半個齒距角，步進電機會產生失步，因此還必須對em(t)加以限 制以保證失調角在半個齒距角范圍內。根據限制后的磁場角位移進行電流分解，可以得到 相應繞組的所需的控制電流ia α)、ib α)，再由電流閉環控制步進電機轉子跟隨輸入信號運 動。電流閉環是為了控制各相繞組的實際電流iaf(t)、ibf(t)，使其和各相輸入電流ia(t)、 ib(t)保持一致，從而得到所需要的控制步進電機轉子運動的旋轉磁場。其控制方法是將 電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流iaf(t)、ibf(t)反饋后分別與所需控制的輸 入電流ia (t)、ib (t)進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生 各個繞組的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動步進電機轉動，從而控制各個繞組的 電流，獲得所需要的旋轉磁場，由旋轉磁場控制步進電機轉子的運動。在雙閉環控制下，步 進電機電-機械轉換器可以快速無失步地連續跟蹤輸入信號運動，在任意角位置定位，并 且具有良好的動態性能。上述具體實施方式
用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神 和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
一種步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，其特征在于所述閉環連續跟蹤控制方法包括以下步驟(1)、對步進電機采用同步電機的控制方法，在步進電機定子各相通入設定相位差的連續變化的正弦電流；(2)、將步進電機轉子實際角位移θ(t)反饋到輸入端與輸入信號θi(t)比較形成偏差，由偏差信號經PID運算得到理論磁場角位移信號θm(t)；對理論磁場角位移信號θm(t)加以限制以保證失調角在半個齒距角范圍內|θm(t)-Nrθ(t)|＜π上式中Nr為步進電動機轉子齒數；根據限制后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流；(3)、將電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流反饋后分別與所需控制的輸入電流進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生各個繞組的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動所述步進電機轉動，實現快速無失步地連續跟蹤輸入信號運動。
2.如權利要求1所述的步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，其特征在 于所述步進電機為兩相步進電機，所述設定相位差為90° ；在所述步驟(2)中，根據限制 后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、ib(t)<formula>formula see original document page 2</formula>上式中，Iffl為步進電動機繞組電流幅值。
3.如權利要求1所述的步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，其特征在 于所述步進電機為三相步進電機，所述設定相位差為120° ；在所述步驟(2)中，根據限制 后的磁場角位移進行電流分解，得到相應繞組所需的控制電流ia(t)、ib(t)、i。(t)。<formula>formula see original document page 2</formula>其中ia (t) = Imcos 0m(t)ie(t) = Imsin6m(t)上式中，Iffl為步進電動機繞組電流幅值。
4.如權利要求1 3之一所述的步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法， 其特征在于所述PID運算采用數字遞推式PID算法，其計算公式為uk = uk+1+ A uk其中:KP-比例系數； -積分系數；TD_微分系數；k_ 采樣序號，k = 0，1，2，......；T-采樣周期uk_第k次采樣時刻的計算機輸出值，可以是角位移或者相電流等；uk_r第k-1次采樣時刻的計算機輸出值；A uk_第k次采樣時刻的計算機輸出值增量；ck-第k次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_r第k-1次采樣時刻輸入值的偏差值；ek_2-第k-2次采樣時刻輸入值的偏差值。
全文摘要
一種步進電機電-機械轉換器的閉環連續跟蹤控制方法，包括以下步驟(1)對步進電機采用同步電機的控制方法(2)將步進電機轉子實際角位移反饋到輸入端與輸入信號比較形成偏差，由偏差信號經PID運算得到理論磁場角位移信號θm(t)；對θm(t)加以限制以保證失調角在半個齒距角范圍；并進行電流分解，得到相應繞組所需的控制的輸入電流；(3)將電流檢測電路所測得步進電機繞組的實際電流反饋后分別與所需控制的輸入電流進行比較形成相應的偏差信號，相應的偏差信號經各自的PID運算產生各個繞組的PWM信號，再由PWM信號控制驅動電路驅動所述步進電機轉動。本發明能同時保證控制精度和響應速度、角位移可以在任意位置精確快速地定位。
文檔編號H02P8/40GK101834557SQ20101015885
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者李勝, 阮健 申請人:浙江工業大學