两相混合式步进电机高性能伺服控制研究

发布时间：2017-08-03 20:16

  本文关键词：两相混合式步进电机高性能伺服控制研究

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【摘要】：步进电机是一种将电脉冲信号转化为相应角位移或线位移的机电元件,具有控制简单、工作可靠、定位精度高、无累积误差等优点。两相混合式步进电机作为目前步进电机的主流,在数控机床、机器人、航空航天等伺服控制领域在有着广泛而重要的应用。随着工业应用的不断深入和相关技术的飞速发展,人们对混合式步进电机伺服控制系统的动稳态特性、鲁棒性等提出了更高的性能要求,传统的开环控制因其响应慢、易失步、存在共振区等缺点已经不再适用,这使得研究混合式步进电机的闭环控制势在必行。两相混合式步进电机高性能伺服控制研究旨在寻求某种位置闭环控制策略,不仅在控制效果上优于传统PID控制,而且在算法实现上又简单可行,从而有利于拓宽该类电机的应用范围,适应现代工业化发展的需求,因此具有重要的理论意义和现实意义。本文首先对两相混合式步进电机的结构和运行原理进行了介绍和分析,并在简化的磁网络模型基础上详细推导了其在两个常用坐标系下的数学模型,进而实现两相混合式步进电机的矢量控制。然后以数学模型为依据,将滑模控制应用于两相混合式步进电机中长行程的位置控制中,提出改进的分段变指数趋近律并设计了滑模位置控制器,针对实际运行时负载转矩扰动未知的问题,构建了改进的降阶负载转矩观测器。同时,将无源性控制应用于其小角度的位置控制中,针对非线性摩擦力扰动的问题,结合鲁棒控制技术,设计了在哈密顿模型下的基于状态误差模型的鲁棒无源性位置控制器。最后,在Matlab/Simulink环境下搭建了两相混合式步进电机伺服控制系统模型,并在相同条件下与传统PID控制进行了仿真对比,结果显示,本文所设计的位置控制算法在动稳态特性、鲁棒性等方面性能更为优异。此外,为了说明算法的实用性,以ARM微处理器为核心,设计了两相混合式步进电机伺服控制系统的硬件和软件,完成了相应的实验调试,实验结果进一步验证了文中提出的控制策略在实现两相混合式步进电机高性能伺服控制中的有效性和优越性。
【关键词】：两相混合式步进电机 高性能伺服 位置控制 滑模控制 鲁棒无源性控制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM383.6;TM921.541
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 步进电机概述11-13
• 1.1.1 步进电机的发展11-12
• 1.1.2 步进电机的分类12-13
• 1.1.3 步进电机的特点13
• 1.2 步进电机伺服控制系统的研究现状13-17
• 1.2.1 步进电机驱动技术的发展和研究现状13-15
• 1.2.2 步进电机控制策略的发展和研究现状15-17
• 1.3 本论文研究的意义和主要内容17-20
• 1.3.1 研究背景及意义17-18
• 1.3.2 本文主要研究内容18-20
• 第二章 两相混合式步进电机的数学模型及其矢量控制20-33
• 2.1 两相混合式步进电机的结构和基本运行原理20-23
• 2.1.1 两相混合式步进电机的结构20-21
• 2.1.2 两相混合式步进电机的基本运行原理21-23
• 2.2 两相混合式步进电机的数学模型23-29
• 2.2.1 两相混合式步进电机的磁网络模型23-26
• 2.2.2 两相静止坐标系下的两相混合式步进电机数学模型26-28
• 2.2.3 dq旋转坐标系下的两相混合式步进电机数学模型28-29
• 2.3 两相混合式步进电机的矢量控制29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 基于负载观测器的两相混合式步进电机滑模位置控制33-47
• 3.1 滑模控制的基本理论33-38
• 3.1.1 滑模控制的数学描述33
• 3.1.2 滑模控制的基本特性33-34
• 3.1.3 滑模控制器的基本设计方法34-36
• 3.1.4 滑模控制的若干问题36-38
• 3.2 两相混合式步进电机滑模位置控制器的设计38-41
• 3.2.1 滑模面的选择38-39
• 3.2.2 趋近律的改进39-41
• 3.2.3 稳定性分析41
• 3.3 负载转矩降阶观测器的构建41-46
• 3.3.1 全阶负载转矩观测器的设计42-44
• 3.3.2 降阶负载转矩观测器的改进44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 基于鲁棒无源性的两相混合式步进电机小角度位置控制47-54
• 4.1 无源性控制的基本理论47-51
• 4.1.1 耗散性与无源性47-48
• 4.1.2 无源系统的稳定性48-49
• 4.1.3 端口受控耗散哈密顿系统49
• 4.1.4 基于状态误差模型的无源性控制器设计49-51
• 4.2 Stribeck摩擦模型51
• 4.3 基于鲁棒无源性的步进电机小角度位置控制51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 两相混合式步进电机伺服控制系统的硬件及软件实现54-64
• 5.1 两相混合式步进电机伺服控制系统的硬件实现54-59
• 5.1.1 ARM微处理器的选型54-55
• 5.1.2 电源模块55-56
• 5.1.3 主电路及功率驱动模块56
• 5.1.4 反馈模块56-58
• 5.1.5 接口模块及其他辅助电路58-59
• 5.2 两相混合式步进电机伺服控制系统的软件实现59-62
• 5.2.1 系统主程序59-60
• 5.2.2 中断子程序60-62
• 5.3 系统控制平台62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 仿真及实验结果与分析64-75
• 6.1 两相混合式步进电机滑模位置控制仿真及实验64-70
• 6.1.1 仿真模型的搭建64-66
• 6.1.2 仿真结果及分析66-69
• 6.1.3 实验结果及分析69-70
• 6.2 两相混合式步进电机鲁棒无源性位置控制仿真及实验70-74
• 6.2.1 仿真模型的搭建70-71
• 6.2.2 仿真结果及分析71-73
• 6.2.3 实验结果及分析73-74
• 6.3 本章小结74-75
• 总结与展望75-77
• 参考文献77-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-83
• 致谢83-84
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见84

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本文编号：616128