基于卡尔曼滤波的步进电机无位置传感器控制系统研究

发布时间：2017-09-09 05:12

  本文关键词：基于卡尔曼滤波的步进电机无位置传感器控制系统研究

  更多相关文章： 永磁式步进电机 扩展卡尔曼滤波 无位置传感器技术 细分驱动

【摘要】：永磁式步进电机作为一种数字控制电动机,由于存在失步、步距角大,控制精度低等问题,大多应用在一些精度和稳定性要求不高的开环系统中。混合式步进电机步距角小,精度较高,然而其结构复杂,成本较高,限制了它的应用范围。因此,改进永磁式步进电机的性能,既提高了步进电机的稳定性,又在一定程度上补偿混合式步进电机的成本问题。改善永磁式步进电机系统性能的研究中,如何保证电机不发生失步至关重要。检测电机转子速度和位置的传统方法多采用机械传感器,但存在电路设计复杂,易受环境干扰等缺点。为此本文研究和设计了基于卡尔曼滤波的步进电机无位置传感器控制系统,进一步克服这些问题。具体工作如下:(1)建立了二相永磁式步进电机的数学模型,将非线性系统近似线性化,搭建了α-β坐标系下永磁步进电动机的扩展卡尔曼滤波模型,完成了基于扩展卡尔曼滤波的无位置传感器控制方法设计,实现了对永磁式步进电机转子速度和位置的观测。(2)以PIC16F877为控制核心,采用细分驱动的方式,结合无位置传感器控制技术,对永磁式步进电机的控制系统设计系统软硬件实现方案,解决了永磁步进电机低频振荡、控制精度低、步距角大的问题,提高了电机的系统性能。(3)在MATLAB/Simulink环境下,建立了二相永磁式步进电机无位置传感器控制系统的仿真模型,对步进电机无位置传感器控制系统进行了仿真分析。结果表明了基于卡尔曼滤波的步进电机无位置传感器控制系统的优良特性,达到预期目标。
【关键词】：永磁式步进电机 扩展卡尔曼滤波 无位置传感器技术 细分驱动
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM383.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-12
• 1.1 课题的背景8
• 1.2 无位置传感技术研究现状8-9
• 1.3 课题研究的目的和意义9-10
• 1.4 课题研究的主要内容和工作10-12
• 第2章 永磁式步进电机数学模型搭建12-24
• 2.1 步进电机的概述12-18
• 2.1.1 步进电机的工作原理及工作方式12-17
• 2.1.2 步进电机的特点17
• 2.1.3 步进电机的分类17-18
• 2.2 构建步进电机的数学模型18-23
• 2.2.1 步进电机的数学模型18-21
• 2.2.2 步进电机的计算21-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第3章 卡尔曼滤波器在永磁步进电机无位置传感器控制中的应用24-35
• 3.1 卡尔曼滤波器算法24-31
• 3.1.1 卡尔曼滤波原理24-27
• 3.1.2 非线性系统线性化问题27-29
• 3.1.3 离散型非线性扩展卡尔曼滤波方程29-31
• 3.2 扩展卡尔曼滤波在永磁式步进电机无位置传感控制中的应用31-34
• 3.2.1 α?β坐标系下永磁步进电动机的EKF模型31-34
• 3.2.2 d?q坐标系下永磁步进电动机的数学模型34
• 3.3 本章小结34-35
• 第4章 硬件电路和系统软件设计方案35-50
• 4.1 引言35
• 4.2 步进电机的细分驱动35-39
• 4.2.1 细分驱动原理35-38
• 4.2.2 步进电机的细分控制函数38-39
• 4.3 器件选型及电路设计39-44
• 4.3.1 主控制模块PIC16F87739
• 4.3.2 驱动控制模块39-41
• 4.3.3 电压信号放大模块41-43
• 4.3.4 数据传输模块43
• 4.3.5 系统电路设计43-44
• 4.4 系统软件设计44-49
• 4.4.1 主程序设计45-46
• 4.4.2 中断服务子程序设计46
• 4.4.3 扩展卡尔曼滤波对电机状态估算的软件设计46-47
• 4.4.4 A/D转换47-48
• 4.4.5 串口通信48-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 步进电机无位置传感器控制仿真及试验结果分析50-55
• 5.1 永磁式步进电机无位置传感器控制系统50-51
• 5.2 永磁式步进电机无位置传感器控制系统仿真51-52
• 5.3 仿真结果分析52-54
• 5.4 本章小结54-55
• 第6章 总结与展望55-57
• 参考文献57-60
• 致谢60

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