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步进电机自适应速度曲线设计及其物理仿真验证

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空间控制技术与应用 2022年

作者：张航宁李文新梁绪兰州空间技术物理研究所

为了使步进电机尽可能快地达到额定转速或目标角度且避免失步，需要针对性地设计加减速曲线，如梯形、S形等。传统的固定设计速度曲线的方法只适合步进电机的目标位置、方向、初始速度、最大限制速度和加速度等参数已经事先确定并在电... 详细信息

为了使步进电机尽可能快地达到额定转速或目标角度且避免失步，需要针对性地设计加减速曲线，如梯形、S形等。传统的固定设计速度曲线的方法只适合步进电机的目标位置、方向、初始速度、最大限制速度和加速度等参数已经事先确定并在电机达到目标位置之前不再改动的情况，而在步进电机的很多应用中需要在电机工作时临时修改运行参数，或有初始速度不能事先确定的情况，此时就需要实时对已经设计完成的速度曲线进行修正，算法较为复杂。使用自抗扰控制理论中的跟踪微分器方法，解决了上述需要频繁修改速度曲线的问题，优化了算法复杂度，减小了计算量，并在STM32微控制器上对算法进行了验证，在以步进电机作为关节驱动的机械臂控制中得到了实际应用。

关键词：步进电机速度曲线跟踪微分器自抗扰控制

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步进电机控制系统建模及加减速曲线优化

电机与控制学报 2018年第1期22卷 37-42,52页

作者：王邦继刘庆想周磊卜朗李相强张健穹西南交通大学物理科学与技术学院四川成都610031

为了优化步进电机开环控制系统,对其加减速曲线的控制性能进行了研究。以步进电机运行原理为基础,建立了两相混合式步进电机开环控制系统仿真模型,设计了一种与电机矩频特性更为符合且可以用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法,并... 详细信息

为了优化步进电机开环控制系统,对其加减速曲线的控制性能进行了研究。以步进电机运行原理为基础,建立了两相混合式步进电机开环控制系统仿真模型,设计了一种与电机矩频特性更为符合且可以用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法,并与典型的匀加减速曲线算法、指数型加减速曲线算法进行了仿真比较分析,最后进行了实验验证。仿真和实验结果均表明,在相同的控制周期内,抛物线型加减速曲线的最大无失步转动角度有了显著提高,同时其中间过程的位置跟踪误差和平衡位置处的残余振荡误差也较小。抛物线型加减速曲线具有更快速的动态响应能力,已在某相控阵列天线的单元相位控制中得到了应用。

关键词：步进电机开环控制系统建模加减速控制抛物线型加减速

步进电机新型场路结合分析方法——齿层计算转矩法

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电机与控制学报 2018年第5期22卷 11-18页

作者：鲁炳林徐衍亮山东大学电气工程学院山东济南250061

齿层比磁导法是目前步进电机电磁转矩的主要计算方法,提出了一种新型电磁转矩分析计算方法—齿层计算转矩法。首先给出步进电机齿层计算转矩的概念,同时在理论上证明了采用齿层计算转矩法计算步进电机电磁转矩的正确性,然后给出了齿层... 详细信息

齿层比磁导法是目前步进电机电磁转矩的主要计算方法,提出了一种新型电磁转矩分析计算方法—齿层计算转矩法。首先给出步进电机齿层计算转矩的概念,同时在理论上证明了采用齿层计算转矩法计算步进电机电磁转矩的正确性,然后给出了齿层计算转矩法用于步进电机电磁转矩及其他性能分析计算的步骤,最后针对磁阻式步进电机和混合式步进电机,分别采用齿层比磁导法、齿层计算转矩法和电磁场有限元法进行对比研究。结果表明,齿层计算转矩法与现在通用的齿层比磁导法相比具有简单实用、计算精度高的特点。

关键词：步进电机齿层计算转矩齿层比磁导电磁场有限元法

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步进电机期望控制脉冲的无抖动输出方法

电机与控制学报 2018年第2期22卷 17-23页

作者：张元飞樊绍巍刘宏谭久彬哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710054 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所黑龙江哈尔滨150001

为了提高步进电机在开环控制情况下的速度跟踪控制性能,提出了基于脉冲周期控制参数值条件更新的期望脉冲无抖动输出方法。首先,根据相邻时刻的两个期望脉冲周期值间的数学关系,构建了全时域的时序分析模型,分析了脉冲抖动输出现象;然后... 详细信息

为了提高步进电机在开环控制情况下的速度跟踪控制性能,提出了基于脉冲周期控制参数值条件更新的期望脉冲无抖动输出方法。首先,根据相邻时刻的两个期望脉冲周期值间的数学关系,构建了全时域的时序分析模型,分析了脉冲抖动输出现象;然后,归纳总结了脉冲无抖动输出的控制参数值更新条件;最后,根据归纳总结的控制参数值更新条件,采用超高速集成电路硬件描述语言,构建了脉冲无抖动输出的控制器知识产权(intellectual property,IP)核。理论分析结果和实验结果均表明,该方法能够有效解决因控制参数值无约束更新而导致的脉冲抖动输出问题,进而有利于提高步进电机期望速度跟踪控制性能。

关键词：步进电机开环控制速度跟踪控制控制器IP核 3D打印

两相混合式步进电机全速范围无位置传感器速度控制

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电机与控制学报 2022年第3期26卷 41-48页

作者：王春雷曹东兴河北工业大学机械工程学院天津300130 天津铁道职业技术学院天津300240

步进电机开环控制结构简单,但定位精确度低、扭矩脉动大、能效低;闭环磁场定向控制定位精确度高、扭矩脉动小、能效高,但存在结构复杂且计算量大等问题,为此提出了低速和中高速分别采用微步和基于滑模观测器实现的无位置传感器的混合控... 详细信息

步进电机开环控制结构简单,但定位精确度低、扭矩脉动大、能效低;闭环磁场定向控制定位精确度高、扭矩脉动小、能效高,但存在结构复杂且计算量大等问题,为此提出了低速和中高速分别采用微步和基于滑模观测器实现的无位置传感器的混合控制策略。首先,根据滑模变结构理论设计滑模观测器并实现了传统无传感器速度控制,观测器估计的转速提供给级联控制的外部速度环以实现速度闭环,而估计的转子位置提供给内部派克及逆派克变换来完成FOC;其次,提出在固定及旋转坐标系下不需进行坐标变换的新无传感器控制方案,由于无需使用派克和逆派克变换,降低了计算量,算法可以运行在低端微控制器,此外,低速时使用开环微步来提高定位精确度;最后,搭建实验平台并通过速度跟踪实验验证了新方案的有效性。

关键词：步进电机无传感器控制磁场定向控制级联控制滑模观测器比例积分控制

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智能调节续流模式的步进电机细分控制

东北大学学报（自然科学版） 2022年第3期43卷 390-396,403页

作者：金博丕王宏李坦张亮东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

针对步进电机在细分控制下使用传统续流模式导致的响应时间和电流纹波问题,提出一种智能调节续流模式策略.首先,详细分析了缓慢续流、快速续流和固定混合续流模式.其次,设计了一种可自动计算最佳续流模式的智能调节方法,该方法基于固定... 详细信息

针对步进电机在细分控制下使用传统续流模式导致的响应时间和电流纹波问题,提出一种智能调节续流模式策略.首先,详细分析了缓慢续流、快速续流和固定混合续流模式.其次,设计了一种可自动计算最佳续流模式的智能调节方法,该方法基于固定关断时间,可在一个PWM周期内对固定续流时间中快速续流的百分比进行优化,旨在提高电机细分控制运动性能.然后,基于已搭建的实物平台,对比分析了传统续流模式和智能调节续流模式的电流纹波.最后,该方法成功应用于ALNES S7卫星SADA.结果表明所提出的方法在响应时间和电流纹波之间达到了一种平衡,使得细分控制更加平稳.

关键词：步进电机智能调节续流模式细分控制电流纹波

数传天线机电耦合建模及微振动特性仿真与试验研究

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振动与冲击 2022年第16期41卷 294-302页

作者：郑照明月程伟王光远李名北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 四川航天系统工程研究所成都610100 中国空间技术研究院北京100094

星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源,严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程,根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱... 详细信息

星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源,严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程,根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱动柔性负载的动力学模型,并给出了数传天线微振动的解析表达式。通过仿真和试验验证了上述微振动模型,分析了微振动的成因和影响因素。结果表明:试验和仿真得到的微振动频域峰值处的频率一致,幅值误差不超过9.41%&并且合理选择步进电机转速可有效降低数传天线的微振动。该模型可应用于在轨微振动预测、天线控制系统设计等领域。

关键词：数传天线微振动机电耦合步进电机固定界面模态综合法

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步进电机驱动电路的研究与设计

步进电机驱动电路的研究与设计

作者：杨曦禾电子科技大学

学位级别：硕士

电机驱动芯片由CMOS控制电路和DMOS功率器件集合而成，其需求随着科技发展而日益增长。其中一种具有高精度，出色启停能力以及低廉价格等优点的步进电机驱动芯片及其相关技术是当前研究的一项热门课题。　　本文基于0.18μmBCD的工艺平... 详细信息

电机驱动芯片由CMOS控制电路和DMOS功率器件集合而成，其需求随着科技发展而日益增长。其中一种具有高精度，出色启停能力以及低廉价格等优点的步进电机驱动芯片及其相关技术是当前研究的一项热门课题。　　本文基于0.18μmBCD的工艺平台设计了一款两相双极步进电机驱动芯片，其正常工作电压范围为8~52V。该芯片基于PWM控制，利用电流比较斩波驱动方式可实现细分电机绕组上的电流，从而实现32微步的细分控制。此外，芯片还集成多种电源模块，以满足内部各模块供电需求。　　本文首先从步进电机整体系统及其工作方式出发，分析了步进电机的相关驱动技术。随后确定了步进电机驱动芯片的整体架构，并对各子模块功能及信号传输路径进行了规划，接着对芯片各重要子模块设计、仿真和分析。芯片关键的驱动电路模块采用电流驱动的方式，具备不同驱动电流IDRIVE和驱动时间tDRIVE等级。在驱动大电流阶段结束之后，转换为较小电流以维持功率管正常栅极电压状态，可以更好地实现对外部功率管不同栅电容的快速充放电并减小电压尖峰。其中片内电源模块包括预稳压模块、带隙基准模块、线性稳压模块以及电荷泵模块。线性稳压模块由1.8V以及5V线性稳压电路构成，分别为片内数字和模拟电路供电;电荷泵模块具有电压监测功能，实现对电荷泵输出电压的控制，使其保持在安全电压范围之内。此外，系统还包括电流检测模块、电平位移模块以及保护模块等。其中电流检测模块具备双向检测功能，可完整检测绕组正向和反向电流，从而更加精准地控制H桥功率管开断。　　最后，本文对该步进电机驱动芯片进行整体仿真分析，进一步验证其系统功能，结果满足设计要求。

关键词：步进电机细分控制电荷泵电流检测电流驱动

步进电机微步距控制及低失调运放数模混合电路设计

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步进电机微步距控制及低失调运放数模混合电路设计

作者：王熠炜西南交通大学

学位级别：硕士

步进电机是一种开环使用的机电组件,可以将电脉冲信号转变为角位移或线性位移,在工业与医疗设备、打印机、ATM等场景应用广泛。步进电机步距角的大小由运行拍数和转子齿数决定,而转子齿数通常较少且固定,因此步距角通常较大。较大的步... 详细信息

步进电机是一种开环使用的机电组件,可以将电脉冲信号转变为角位移或线性位移,在工业与医疗设备、打印机、ATM等场景应用广泛。步进电机步距角的大小由运行拍数和转子齿数决定,而转子齿数通常较少且固定,因此步距角通常较大。较大的步距角使步进电机在运行过程中会产生明显的振动、噪声,并且位置控制精度不高。因此,通过步进电机微步距细分控制,使步进电机更安静、精确地工作,是国内外对步进电机控制电路的研究热点之一。传统步进电机微步距细分控制器基于32位DSP数字芯片,其体积过大,价格昂贵,使用不便。随着集成电路技术的发展,步进电机微步距细分芯片以其体积小、易集成、成本低、使用方便的优点逐渐成为使用者的首要选择。本文介绍了步进电机微步距细分控制的必要性及相关原理,根据实际需求,制定相关指标要求,并基于等幅电流矢量理论,利用查找表与电流采样等模块结合的方式,设计了一款微步距细分控制电路。本文重点分析了该电路中带隙基准与稳压器模块、时钟生成模块、微步距细分控制模块及低失调电流采样模块,从各模块的功能出发,重点介绍各模块的设计原理及拓扑结构,结合仿真、实测波形对功能指标进行具体分析。该电路中微步距细分控制模块控制运行拍数及功率管的导通与关断,最大可以实现1/32细分。电流采样模块采用低失调设计,使运算放大器的输入失调电压低至960μV,保证整体电路对电流的控制满足指标要求的精度。带隙基准采用高PSRR设计,其低频PSRR可以达到-160d B,有效地抑制了电源电压变化对基准电压的影响。该电路采用华润上华0.25μm 60V BCD工艺流片验证,使用HTSSOP-28的封装。具有如下特点:1.六种细分模式。该电路使用PWM控制结合查找表的方式,实现步进电机的整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32步运行,最多可将步距角减小为原来的1/32。2.采用高输入电压,高PSRR的带隙基准与稳压器电路,提高了基准电压的精确度。3.电流控制精度高。电流采样运放采用低失调设计,提高了控制绕组电流的精度。完成测试PCB板的制作并对流片后的芯片进行功能测试,测试结果表明本文设计的电路符合各项设计指标,实现了步进电机最大1/32的微步距细分控制功能。

关键词：步进电机微步距细分控制低失调数模混合电路设计