CN114785214A - 一种无位置传感器步进电机的开环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器步进电机开环控制方法，通过实时辨识电机的功角，根据功角的变化自动调节设定电流Is，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角增大，此时相应增加设定电流Is，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角减少，此时相应减少设定电流Is，优点是不需要额外增加位置传感器，不会导致控制成本增加，步进电机负载增大或高速运行时能够防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，能够避免步进电机运行时噪音响、振动大和发热等问题，从而不会影响步进电机的可靠性。

Description

一种无位置传感器步进电机的开环控制方法

技术领域

本发明涉及一种无位置传感器步进电机的控制方法，尤其是涉及一种无位置传感器步进电机的开环控制方法。

背景技术

两相混合式无位置传感器步进电机一般采用开环控制方法，其控制原理如图1所示。图1中，I_S为步进电机的设定电流，M为步进电机的细分数(大于0的正整数)，Δθ为步进电机步距角，N为脉冲计数值，θ_e为步进电机转子控制角度，VDC为直流母线电压。现有的步进电机开环控制方法中，步进电机转子控制角度θ_e的初始值为零，每输入一个脉冲，步进电机转子控制角度θ_e增加

角度，因此步进电机转子控制角度θ_e为脉冲计数值N乘以

对步进电机转子控制角度θ_e进行正弦运算后乘以设定电流I_S为步进电机A相绕组的设定电流I_A*，对步进电机转子控制角度θ_e进行余弦运算后乘以设定电流I_S为步进电机B相绕组的设定电流I_B*，A相绕组的设定电流I_A*与实际电流I_A的误差经过PI调节后输出A相绕组的控制电压U_A，B相绕组的设定电流I_B*与实际电流I_B的误差经过PI调节后输出B相绕组的控制电压U_B，A相绕组的控制电压U_A经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_A幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制A相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制A相绕组的电流，B相绕组的控制电压U_B经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_B幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制B相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制B相绕组的电流，在A相绕组的电流和B相绕组的电流共同作用下，步进电机按照要求的步进电机转子控制角度θ_e运转。

但是，上述步进电机开环控制方法对步进电机进行控制时，负载增大或高速运行时步进电机容易失步，因此需要提高设定电流Is，但是设定电流Is的提高会引起步进电机低速运行噪音响、振动大和发热等问题，从而影响步进电机的可靠性。

当前，通过在步进电机中安装位置传感器，位置传感器实时采集步进电机运行信息并进行反馈，根据步进电机运行工况来自动调节A相绕组的电流和B相绕组的电流，从而实现步进电机闭环控制。上述步进电机闭环控制方法由于能够自动调节步进电机控制电流，既能避免负载增大或高速运行时的失步，又不会引起步进电机低速运行噪音响、振动大和发热等问题，从而不会影响步进电机的可靠性，但是位置传感器的设置导致了控制成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是无位置传感器步进电机的开环控制方法。该开环控制方法在对步进电机进行控制时，不需要额外增加位置传感器，由此不会导致控制成本增加，通过实时辨识电机的功率角度(以下简称功角)，根据功角的变化自动调节设定电流Is，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角增大，此时相应增加设定电流Is，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角减少，此时相应减少设定电流Is，避免步进电机运行时噪音响、振动大和发热等问题，从而不会影响步进电机的可靠性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无位置传感器步进电机开环控制方法，将步进电机转子控制角度θ_e进行正弦运算后乘以设定电流I_S为步进电机A相绕组的设定电流I_A*，对步进电机转子控制角度θ_e进行余弦运算后乘以步进电机的设定电流I_S为步进电机B相绕组的设定电流I_B*，A相绕组的设定电流I_A*与实际电流I_A的误差经过PI调节后输出A相绕组的控制电压U_A，B相绕组的设定电流I_B*与实际电流I_B的误差经过PI调节后输出B相绕组的控制电压U_B，A相绕组的控制电压U_A经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_A幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制A相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制A相绕组的电流，B相绕组的控制电压U_B经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_B幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制B相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制B相绕组的电流，在A相绕组的电流和B相绕组的电流共同作用下，步进电机按照要求的控制角度θ_e运转，步进电机转子控制角度θ_e的初始值为零，每输入一个脉冲，步进电机转子控制角度θ_e增加

角度，步进电机转子控制角度θ_e为脉冲计数值N乘以

M为步进电机的细分数，Δθ为步进电机步距角，N为脉冲计数值，在步进电机控制过程中，实时通过将步进电机的A相绕组的控制电压U_A、B相绕组的控制电压U_B、A相绕组的实际电流I_A、B相绕组的实际电流I_B和步进电机转子控制角度θ_e输入到功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L，然后将功角θ_L输入到比例调节模块，比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后的输出值来更新设定电流I_S的取值，设定电流I_S根据功角θ_L的变化自动调节，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角θ_L增大，此时设定电流I_S相应增加，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角θ_L减少，此时设定电流I_S相应减少，避免步进电机低速运行时噪音响、振动大和发热等问题。

所述的功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L的具体过程为：

S1、将步进电机的A相绕组总磁链Φ_A采用式(1)表示为：

Φ_A＝∫(U_A-I_A×R)dt (1)

其中，R为步进电机的相电阻；

S2、将式(1)转换成S域传递函数：

式(2)中，S表示拉普拉斯变换复变量算子；

S3、将式(2)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

式(3)中，Wc为高通滤波器截止角频率；

S4、将式(3)转换为Z域的传递函数：

式(4)中，Z^-1表示单位延迟因子，T表示步进电机的控制周期；

S5、将当前采样时刻A相绕组总磁链记为

基于步骤S4得到的Z域的传递函数得到

的计算公式为：

式(5)中，

为前一采样时刻A相绕组总磁链，

为当前采样时刻A相绕组的控制电压，

为当前采样时刻A相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；

S6、将步进电机的B相绕组总磁链Φ_B采用式(6)表示为：

Φ_B＝∫(U_B-I_B×R)dt (6)

S7、将式(6)转换成S域传递函数：

S8、将式(7)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

S9、将式(8)转换为Z域的传递函数：

S10、将当前采样时刻B相绕组总磁链记为

基于步骤S9得到的Z域的传递函数得到

式(10)中，

为前一采样时刻B相绕组总磁链，

为当前采样时刻B相绕组的控制电压，

为当前采样时刻B相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；S11、采用式(11)计算步进电机转子辨识角度θ_R：

式(11)中，L为步进电机的相电感，

S12、采用式(12)计算步进电机功角θ_L：

θ_L＝θ_R-θ_e (12)

S13、对θ_L利用低通滤波器进行平滑处理，以减少θ_L的波动。

所述的比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后得到输出值来更新设定电流I_S的取值的方法为：

A1、采用比例积分(PI)调节方式计算得到设定电流I_S或者采用式(13)计算设定电流I_S：

I_S＝K_P×θ_L (13)

式(13)中，K_P根据实际应用需求设置，K_P取值大，响应快，但控制容易引起振荡；K_P取值小，响应慢，但控制平稳，适合负载变化慢、加减速慢的应用场合。

A2、对I_S进行限幅处理：

当步骤A1得到的I_S大于I_MAX时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MAX；

当步骤A1得到的I_S小于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MIN；

当步骤A1得到的I_S小于等于I_MAX且大于等于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于K_P×θ_L；

其中，I_MAX为最大电流设定值，I_MIN为最小电流设定值，I_MAX的取值由步进电机的最大容许运行电流决定，I_MIN的取值根据负载变化率、加减速时间实际应用工况确定。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在步进电机控制过程中，实时通过将步进电机的A相绕组的控制电压U_A、B相绕组的控制电压U_B、A相绕组的实际电流I_A、B相绕组的实际电流I_B和步进电机转子控制角度θ_e输入到功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L，然后将功角θ_L输入到比例调节模块，比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后的输出值来更新设定电流I_S的取值，设定电流I_S根据功角θ_L的变化自动调节，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角θ_L增大，此时设定电流I_S相应增加，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角θ_L减少，此时设定电流I_S相应减少，由此不需要额外增加位置传感器，由此不会导致控制成本增加，通过实时辨识电机的功率角度(以下简称功角)，根据功角的变化自动调节设定电流Is，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角增大，此时相应增加设定电流Is，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角减少，此时相应减少设定电流Is，避免步进电机运行时噪音响、振动大和发热等问题，从而不会影响步进电机的可靠性。

附图说明

图1为现有的两相混合式无位置传感器步进电机开环控制方法的控制原理图；

图2为本发明的两相混合式无位置传感器步进电机开环控制方法的控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图2所示，一种无位置传感器步进电机开环控制方法，将步进电机转子控制角度θ_e进行正弦运算后乘以设定电流I_S为步进电机A相绕组的设定电流I_A*，对步进电机转子控制角度θ_e进行余弦运算后乘以步进电机的设定电流I_S为步进电机B相绕组的设定电流I_B*，A相绕组的设定电流I_A*与实际电流I_A的误差经过PI调节后输出A相绕组的控制电压U_A，B相绕组的设定电流I_B*与实际电流I_B的误差经过PI调节后输出B相绕组的控制电压U_B，A相绕组的控制电压U_A经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_A幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制A相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制A相绕组的电流，B相绕组的控制电压U_B经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_B幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制B相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制B相绕组的电流，在A相绕组的电流和B相绕组的电流共同作用下，步进电机按照要求的控制角度θ_e运转，步进电机转子控制角度θ_e的初始值为零，每输入一个脉冲，步进电机转子控制角度θ_e增加

角度，步进电机转子控制角度θ_e为脉冲计数值N乘以

M为步进电机的细分数，Δθ为步进电机步距角，N为脉冲计数值，在步进电机控制过程中，实时通过将步进电机的A相绕组的控制电压U_A、B相绕组的控制电压U_B、A相绕组的实际电流I_A、B相绕组的实际电流I_B和步进电机转子控制角度θ_e输入到功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L，然后将功角θ_L输入到比例调节模块，比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后的输出值来更新设定电流I_S的取值，设定电流I_S根据功角θ_L的变化自动调节，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角θ_L增大，此时设定电流I_S相应增加，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角θ_L减少，此时设定电流I_S相应减少，避免步进电机低速运行时噪音响、振动大和发热等问题。

本实施例中，功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L的具体过程为：

S1、将步进电机的A相绕组总磁链Φ_A采用式(1)表示为：

Φ_A＝∫(U_A-I_A×R)dt (1)

其中，R为步进电机的相电阻；

S2、将式(1)转换成S域传递函数：

式(2)中，S表示拉普拉斯变换复变量算子；

S3、将式(2)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

式(3)中，Wc为高通滤波器截止角频率；

S4、将式(3)转换为Z域的传递函数：

式(4)中，Z^-1表示单位延迟因子，T表示步进电机的控制周期；

S5、将当前采样时刻A相绕组总磁链记为

基于步骤S4得到的Z域的传递函数得到

的计算公式为：

式(5)中，

为前一采样时刻A相绕组总磁链，

为当前采样时刻A相绕组的控制电压，

为当前采样时刻A相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；

S6、将步进电机的B相绕组总磁链Φ_B采用式(6)表示为：

Φ_B＝∫(U_B-I_B×R)dt (6)

S7、将式(6)转换成S域传递函数：

S8、将式(7)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

S9、将式(8)转换为Z域的传递函数：

S10、将当前采样时刻B相绕组总磁链记为

基于步骤S9得到的Z域的传递函数得到

的计算公式为：

式(10)中，

为前一采样时刻B相绕组总磁链，

为当前采样时刻B相绕组的控制电压，

为当前采样时刻B相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；S11、采用式(11)计算步进电机转子辨识角度θ_R：

式(11)中，L为步进电机的相电感，

S12、采用式(12)计算步进电机功角θ_L：

θ_L＝θ_R-θ_e (12)

S13、对θ_L利用低通滤波器进行平滑处理，以减少θ_L的波动。

本实施例中，比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后得到输出值来更新设定电流I_S的取值的方法为：

A1、采用比例积分(PI)调节方式计算得到设定电流I_S或者采用式(13)计算设定电流I_S：

I_S＝K_P×θ_L (13)

式(13)中，K_P根据实际应用需求设置，K_P取值大，响应快，但控制容易引起振荡；K_P取值小，响应慢，但控制平稳，适合负载变化慢、加减速慢的应用场合。

A2、对I_S进行限幅处理：

当步骤A1得到的I_S大于I_MAX时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MAX；

当步骤A1得到的I_S小于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MIN；

当步骤A1得到的I_S小于等于I_MAX且大于等于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于K_P×θ_L；

其中，I_MAX为最大电流设定值，I_MIN为最小电流设定值，I_MAX的取值由步进电机的最大容许运行电流决定，I_MIN的取值根据负载变化率、加减速时间实际应用工况确定。

Claims (3)

1.一种无位置传感器步进电机开环控制方法，将步进电机转子控制角度θ_e进行正弦运算后乘以设定电流I_S为步进电机A相绕组的设定电流I_A*，对步进电机转子控制角度θ_e进行余弦运算后乘以步进电机的设定电流I_S为步进电机B相绕组的设定电流I_B*，A相绕组的设定电流I_A*与实际电流I_A的误差经过PI调节后输出A相绕组的控制电压U_A，B相绕组的设定电流I_B*与实际电流I_B的误差经过PI调节后输出B相绕组的控制电压U_B，A相绕组的控制电压U_A经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_A幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制A相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制A相绕组的电流，B相绕组的控制电压U_B经过PWM模块后产生占空比随着控制电压U_B幅值变化的PWM信号，该PWM信号控制B相绕组H桥的4个开关管的通断，从而控制B相绕组的电流，在A相绕组的电流和B相绕组的电流共同作用下，步进电机按照要求的控制角度θ_e运转，步进电机转子控制角度θ_e的初始值为零，每输入一个脉冲，步进电机转子控制角度θ_e增加

角度，步进电机转子控制角度θ_e为脉冲计数值N乘以

M为步进电机的细分数，Δθ为步进电机步距角，N为脉冲计数值，其特征在于在步进电机控制过程中，实时通过将步进电机的A相绕组的控制电压U_A、B相绕组的控制电压U_B、A相绕组的实际电流I_A、B相绕组的实际电流I_B和步进电机转子控制角度θ_e输入到功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L，然后将功角θ_L输入到比例调节模块，比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后的输出值来更新设定电流I_S的取值，设定电流I_S根据功角θ_L的变化自动调节，步进电机负载增大或高速运行时，电机功角θ_L增大，此时设定电流I_S相应增加，以防止失步，步进电机负载减少或低速运行时，电机功角θ_L减少，此时设定电流I_S相应减少，避免步进电机低速运行时噪音响、振动大和发热等问题。

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器步进电机开环控制方法，其特征在于所述的功角辨识模块辨识出步进电机的功角θ_L的具体过程为：

S1、将步进电机的A相绕组总磁链Φ_A采用式(1)表示为：

Φ_A＝∫(U_A-I_A×R)dt (1)

其中，R为步进电机的相电阻；

S2、将式(1)转换成S域传递函数：

式(2)中，S表示拉普拉斯变换复变量算子；

S3、将式(2)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

式(3)中，Wc为高通滤波器截止角频率；

S4、将式(3)转换为Z域的传递函数：

式(4)中，Z^-1表示单位延迟因子，T表示步进电机的控制周期；

S5、将当前采样时刻A相绕组总磁链记为

基于步骤S4得到的Z域的传递函数得到

的计算公式为：

式(5)中，

为前一采样时刻A相绕组总磁链，

为当前采样时刻A相绕组的控制电压，

为当前采样时刻A相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；

S6、将步进电机的B相绕组总磁链Φ_B采用式(6)表示为：

Φ_B＝∫(U_B-I_B×R)dt (6)

S7、将式(6)转换成S域传递函数：

S8、将式(7)转换为经过高通滤波器后的S域传递函数：

S9、将式(8)转换为Z域的传递函数：

S10、将当前采样时刻B相绕组总磁链记为

基于步骤S9得到的Z域的传递函数得到

的计算公式为：

式(10)中，

为前一采样时刻B相绕组总磁链，

为当前采样时刻B相绕组的控制电压，

为当前采样时刻B相绕组的实际电流；当当前采样时刻处于第1个采样时刻时，前一采样时刻A相绕组总磁链

取值为零；S11、采用式(11)计算步进电机转子辨识角度θ_R：

式(11)中，L为步进电机的相电感，

S12、采用式(12)计算步进电机功角θ_L：

θ_L＝θ_R-θ_e (12)

S13、对θ_L利用低通滤波器进行平滑处理，以减少θ_L的波动。

3.根据权利要求1所述的一种无位置传感器步进电机开环控制方法，其特征在于所述的比例调节模块对功角θ_L乘以比例系数K_P，并经过限幅后得到输出值来更新设定电流I_S的取值的方法为：

A1、采用比例积分(PI)调节方式计算得到设定电流I_S或者采用式(13)计算设定电流I_S：

I_S＝K_P×θ_L (13)

式(13)中，K_P根据实际应用需求设置，K_P取值大，响应快，但控制容易引起振荡；K_P取值小，响应慢，但控制平稳，适合负载变化慢、加减速慢的应用场合。

A2、对I_S进行限幅处理：

当步骤A1得到的I_S大于I_MAX时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MAX；

当步骤A1得到的I_S小于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于I_MIN；

当步骤A1得到的I_S小于等于I_MAX且大于等于I_MIN时，当前设定电流I_S被更新为等于K_P×θ_L；

其中，I_MAX为最大电流设定值，I_MIN为最小电流设定值，I_MAX的取值由步进电机的最大容许运行电流决定，I_MIN的取值根据负载变化率、加减速时间实际应用工况确定。

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