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步进电机的精确控制方法研究

刘宝志  
【摘要】: 步进电机作为执行机构,是机电一体化的关键产品之一,广泛地应用在各种计算机控制的自动系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求和应用量与日俱增。步进电机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内,通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制等,并且由其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可靠,因此在众多领域有着极其广泛的应用。 步进电机的驱动控制是近几年来发展起来的一种新的驱动技术,在各种军、民工业中得到了大量的应用。随着要求缩短步进电机的响应时间、提高运行速度等问题的提出,国内外的研究人员针对速度控制,提出了建立在线性速度模型和指数速度模型等数学模型上的控制方式,但都存在一定的问题;当解决要求步进电机有更小的步距角,更高的分辨率,或者为减小步进电机本身所固有的低频振动、噪声等问题时,出现了步进电机细分驱动技术,目前较为常见的有斩波恒流驱动、脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动等技术,这些驱动技术虽能满足特定场合的技术要求,但缺乏一定的灵活性。 本文的主要研究内容如下: 对步进电机及其细分驱动系统进行了详细阐述,研究了步进电机的工作原理、运行性能,分析了步进电机细分驱动系统的作用和适用性,并对国内外步进电机细分驱动系统的研究作了简要介绍。 研究了步进电机在加减速控制过程中脉冲频率曲线的设计和他们的优缺点,并提出以步进电机控制系统模型和矩频特性为依据,推导出其加减速控制过程中的线性加正弦函数,在不发生失步和过冲的前提下,能够缩短步进电机的加减速时间,提高运行速度,充分发挥步进电机的工作性能。 为解决消除电机的低频振荡,提高电机的输出转矩、分辨率和步距的均匀度,解决步进电机高精度细分和平滑运行、动态适应多级细分的技术难题,研究了步进电机的传统控制方法和细分控制原理,在控制方法上,本文通过分析两相混合式步进电机的运行原理,推导了其数学模型。在此基础上提出了电流矢量恒幅均匀旋转与可变细分相结合的控制策略,提出了一种新的趋圆自适应驱动模型,并给出了控制方法。通过实时计算的方式控制各相绕组电流,使其按阶梯正旋规律改变大小和方向,实现将步进电机一个整步均匀地分为若干个更细的微步,改变了以往细分控制参数需要事先计算的方式,节省了存贮空间,并能动态的适应多级细分的情况。 最后,通过模拟仿真等方法的试验研究,证明了这种模型和方法的可行性。 本文的研究对于计算机技术应用于步进电机的速度控制和细分驱动控制方式的深入研究,拓宽步进电机的应用领域具有积极的意义。


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