高速高精度步进闭环控制系统的研究

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步进电机作为应用最为广泛的一种执行元件,已经成为现代汽车行业、现代军事装备和其他现代工业自动化系统不可缺少的重要元件。随着电子技术、计算机技术、现代控制理论的不断发展和工业应用的不断深入,人们对步进电机应用系统提出了越来越高的要求,追求高精度的静态特性与高速度的动态响应特性成为新的研究热点。因此深入研究其控制系统以提高其控制性能具有重要的理论意义和工程实用价值。论文在详尽分析步进电机闭环控制系统的基础上构建了一种二相混合步进电机双闭环的控制系统。该闭环控制系统包含了两个闭环:一是速度闭环,另外一个就是电流矢量闭环;两个控制器:一个速度控制器,另一个是电流矢量控制器;两次矢量转换:一是电流矢量转换,二是电压矢量反转换;一个两相混合步进电机。在理论上,通过合理的简化与假定去除了步进电机的一些非线性因素,实现了二相混合步进电机的精确建模;在深入研究各种控制器算法的基础上,提出了模糊-PID算法,这种改进的复合控制算法大大增强了步进电机的稳态控制性能;同时通过对步进电机空间电压矢量脉宽调制方法(SVPWM)、矢量转换技术、细分控制技术的深入研究,并借助MATLAB/Simulink强大的建模仿真功能,建立了包含步进电机、模糊PID控制算法、空间电压矢量脉宽调制方法(SVPWM)与矢量转换技术在内的步进电机双闭环控制系统的仿真模型。在硬件上,采用DSPIC33FJ32MC204芯片设计了步进电机双闭环控制的硬件电路,包括主控芯片电路、电源电路、驱动电路、电压设定与保护电路、电流反馈检测电路、编码器接口电路、RS485接口电路和辅助电路等。借助于dsPICDEM步进开发板,对步进电机电流闭环细分控制进行了验证。本文所建立的步进电机闭环控制系统,在研究方法和应用实践研究方面具有一定的创新性。通过仿真结果表明,该闭环控制系统具有较好的控制性能与动态响应能力。电流闭环细分控制能够有效改善步进电机的控制精度,降低电机的振动和噪声。
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