高动态特性步进电机驱动控制系统设计与实现

发布时间：2017-05-31 15:01

  本文关键词：高动态特性步进电机驱动控制系统设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：步进电机由于运行精度较高,控制方式在早期比较简单且工作可靠,所以在工业以及日常生活中都得到了非常广泛的应用。但是在传统的控制方式驱动下,步进电机运行中存在失步过冲和低频振荡两个主要问题,已经难以达到各类应用场合对动态性能和精度的要求。为解决此问题,国内外从优化电机结构、改善驱动方法、提升控制芯片性能等方面进行了较多的研究,但仍然受加工工艺、器件耐压和运算能力等限制。本文通过研究反电动势对动态特性提升的影响,提出了混合续流导通算法,有效解决了步进电机在快速启停过程中的失步、过冲和低频振荡,实现了具有高动态特性步进电机驱动控制系统的设计。本文首先通过深入分析步进电机的数学模型并进行基于Simulink的仿真,分析了步进电机运行中存在问题的产生原因,指出了反电动势对步进电机动态特性提升的影响。然后从H桥续流导通方式对反电动势影响的角度出发,分析对比现有的续流导通方式的优缺点,提出了可以充分释放反电动势、有效跟随给定电流变化的混合续流导通算法。为了验证该算法的有效性,进行了基于DSP的AD式全数字步进电机驱动控制系统的仿真、硬件和软件设计,在该硬件和软件平台上实现了基于混合续流导通算法的细分驱动控制方式,并通过与各种续流导通算法在细分电流跟随和动态控制效果上进行对比测试和分析,验证提出的算法的有效性和整个系统的性能。实验结果表明,基于混合续流导通算法设计的驱动控制系统可以实现电机快速四象限运行而不产生失步和过冲,并且电流跟随效果良好,有效消除低频振荡,具有较高的动态特性,符合设计的性能指标。
【关键词】：步进电机 高动态特性 反电动势 混合续流导通算法 细分驱动
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM383.6;TP273
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 步进电机的发展11-12
• 1.1.1 发展历史11
• 1.1.2 步进电机的结构分类11-12
• 1.2 本课题的研究背景和国内外现状12-17
• 1.2.1 步进电机运行中存在的问题12-13
• 1.2.2 步进电机高动态特性的指标13
• 1.2.3 国内外研究现状13-17
• 1.3 本课题的意义和设计目标17-19
• 1.4 本课题的技术路线和主要内容19-21
• 第二章 混合式步进电机的数学模型与分析21-35
• 2.1 混合式步进电机的结构和工作原理21-24
• 2.2 混合式步进电机的数学模型24-25
• 2.3 混合式步进电机的模型仿真25-32
• 2.3.1 步进电机的参数检测25-28
• 2.3.2 步进电机基于Simulink的模型搭建28-30
• 2.3.3 步进电机的模型验证30-32
• 2.4 步进电机运行问题的产生原因32-33
• 2.4.1 动态特性较差的原因32-33
• 2.4.2 低频振荡的原因33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 混合续流导通算法35-45
• 3.1 解决步进电机运行问题的方法35-37
• 3.1.1 改善动态特性的方法35-36
• 3.1.2 解决低频振荡的方法36-37
• 3.2 细分驱动的实现37-38
• 3.3 H桥的续流38-41
• 3.3.1 传统续流导通方式39
• 3.3.2 互补续流导通方式39-40
• 3.3.3 快衰减续流导通方式40-41
• 3.4 混合续流导通算法41-43
• 3.4.1 混合续流导通算法的设计41-42
• 3.4.2 混合续流导通算法对动态特性的影响分析42
• 3.4.3 各种续流导通方式的对比42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 基于DSP的步进电机控制系统硬件电路设计45-55
• 4.1 整体系统方案设计45-47
• 4.1.1 系统方案对比选择45-47
• 4.1.2 控制方案整体硬件设计47
• 4.2 DSP控制平台47-48
• 4.3 驱动电路48-53
• 4.3.1 功率器件选型48-49
• 4.3.2 功率元件驱动电路49
• 4.3.3 电流采样方案49-52
• 4.3.4 电流信号调理52-53
• 4.4 过流保护电路53-54
• 4.5 电路PCB54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 基于DSP的步进电机控制系统软件设计55-67
• 5.1 软件开发环境55-56
• 5.2 软件整体设计56-58
• 5.2.1 整体框架设计56-57
• 5.2.2 整体流程设计57-58
• 5.3 子模块程序设计58-64
• 5.3.1 步进电机结构体设计58-59
• 5.3.2 细分换相控制59
• 5.3.3 Q格式数据处理59-60
• 5.3.4 PID程序设计60-61
• 5.3.5 PWM程序设计与死区补偿61-62
• 5.3.6 混合续流导通程序设计62-63
• 5.3.7 加减速曲线设计63-64
• 5.4 本章小结64-67
• 第六章 控制系统测试验证67-77
• 6.1 控制系统整体测试方案设计67
• 6.2 步进电机矩频特性曲线的测量67-68
• 6.3 控制系统仿真测试68-71
• 6.3.1 控制系统结构68-70
• 6.3.2 仿真结果分析70-71
• 6.4 控制系统实际测试71-75
• 6.4.1 控制系统实物71-72
• 6.4.2 波形测试72-73
• 6.4.3 加减速性能测试73-75
• 6.5 测试结果总结75
• 6.6 本章小结75-77
• 第七章 总结和展望77-79
• 7.1 总结77
• 7.2 展望77-79
• 参考文献79-82
• 硕士期间发表文章82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 崔徐佳;高守玮;余盈宽;;基于MATLAB/Simulink的二相混合式步进电机的建模与仿真[J];工业控制计算机;2015年06期

2 王邦继;刘庆想;周磊;周一飞;张政权;李向强;张健穹;;步进电机速度曲线的设计与FPGA实现[J];微电机;2012年08期

3 杨超;张冬泉;;基于S曲线的步进电机加减速的控制[J];机电工程;2011年07期

4 李迎;孙亚飞;;基于增量PID的压电微位移器驱动控制系统开发[J];测控技术;2011年03期

5 张宝发;赵辉;岳有军;;基于DSP的步进电机控制系统设计[J];仪表技术与传感器;2010年08期

6 黄志瑛;李威;;步进电机与交流伺服电机性能比较[J];广西轻工业;2010年03期

7 潘健;刘梦薇;;步进电机控制策略研究[J];现代电子技术;2009年15期

8 王勇;王伟;杨文涛;;步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用[J];控制工程;2008年05期

9 王维正;臧玉萍;;基于L297与L298N的步进电机控制系统设计[J];硅谷;2008年13期

10 王志强;;步进电机和交流伺服电机性能综合比较[J];天津职业院校联合学报;2006年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 曾康玲;两相混合步进电机开环性能优化与闭环控制研究[D];华南理工大学;2014年

2 周一飞;基于Simulink的步进电机控制系统仿真[D];西南交通大学;2014年

3 张玉洁;基于DSP的步进电机运动控制卡设计与实现[D];华中科技大学;2013年

4 瞿亮;两相混合式步进电机的新型控制策略研究[D];浙江大学;2011年

5 关继文;基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现[D];中国科学技术大学;2010年

6 刘宝志;步进电机的精确控制方法研究[D];山东大学;2010年

7 张宗媛;转动惯量测量系统的设计与研制[D];沈阳理工大学;2009年

8 刘梦亭;基于FPGA控制的步进电机细分驱动系统[D];广东工业大学;2008年

9 张翌

本文编号：409793