硕士学位论文-步进电机细分波形修正系统设计.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 步进电机细分波形修正系统设计 姓名：程志国 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：莫锦秋 20050101 上海交通大学硕士论文 步进电机波形细分修正系统 摘要 步进电机驱动系统是近几年发展起来的一种新的驱动技术在各种民用工业 中得到了大量的应用特别是步进电机细分驱动技术出现以后由于可以显著的 减小步进电机的步距角提高进给分辨率增加了电机运行的平稳性, 因此在实践 中得到广泛的应用并且其应用也扩大到其它要求更加严格的环境中如航空工 业 本文是针对f y - 3 卫星太阳电池阵步进电机驱动机构及其配置的驱动器而进行 的波形优化驱动机构带动太阳电池阵对日定向转动转动速度稳定与否直接影 响 f y - 3 卫星姿态控制为了减小对卫星姿态控制的干扰总体要求驱动机构驱动 速度稳定性优于 1 0 - 3 / s 但由于驱动机构内步进电机滑环轴承等转动部件内 的转动间隙摩擦及负载扰动等因素 输出轴的速度稳定性还没有达到这一要求 因此为了进一步提高驱动机构出轴速度稳定度故提出本驱动机构驱动电流波形 正系统即根据驱动机构实际速度特性通过专用的波形修正软件修正驱动器 所输出的脉冲电流波形从而改善驱动机构转动的速度平稳性本文的主要研究 内容如下 ( 1 ) 对步进电机及其细分驱动系统进行了详细阐叙分析了波形优化对 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 驱动系统的优化研究作了简要介绍对本项目研究的特殊性研究 目的方法及要解决的问题作了分析和介绍 ( 2 ) 从驱动系统的结构上对本优化目标系统的技术参数进行了分析分 析了驱动系统产生位移误差和速度不稳定的原因给出了系统误差 分析对项目总体技术方案进行了分析和设计 ( 3 ) 从步进电机运动控制环境模拟和数据采集等方面设计了波形修正 系统测控方案并建立了测控系统试验台 ( 4 ) 对系统的波形修正优化算法进行了详细分析和介绍提出了基于传 统方法的波形优化算法并给出了算法仿真结果简要介绍了神经元 网络理论及 b p 算法 给出了基于神经网络的波形修正算法分析和设 计 关键词步进电机波形细分数据采集神经元网络步距角速度稳定性 上海交通大学硕士论文 w a v e f o r m s u b d i v i s i o n m o d i f y s y s t e m o f s t e p p i n g m o t o r a b s t r a c t s t e p p i n g m o t o r d r i v i n g s y s t e m i s a n e w d r i v i n g t e c h n o l o g y d e v e l o p e d i n t h e r e c e n t y e a r s , a n d i s u s e d w i d e l y i n a l l k i n d s o f c i v i l i a n i n d u s t r y . e s p e c i a l l y a f t e r t h e s u b d i v i s i o n t e c h n o l o g y a p p e a r s , b e c a u s e t h i s t e c h n o l o g y c a n r e d u c e t h e s t e p p i n g a n g l e , e n h a n c e t h e d i s t i n g u i s h a b i l i t y , i n c r e a s e t h e s t a b i l i t y o f m o t o r , i t i s g o t m o r e u s a g e i n p r a c t i c e . m o r e i m p o r t a n t , i t i s u s e d i n t h e s i t u a t i o n t h a t n e e d s t r i c t r e q u i r e m e n t , f o r e x a m p l e t h e a v i a t i o n i n d u s t r y . t h i s p a p e r i s w a v e f o r m o p t i m i z e t o t h e f y - 3 s a t e l l i t e s o l a r a r r a y s t e p p i n g m o t o r d r i v i n g s y s t e m a n d i t s d r i v e r . t h e d r i v e m a c h i n e m a k e t h e s o l a r a r r a y r o t a t e t o w a r d s t h e s u n , t h e s t a b i l i t y o f r o t a t i n g v e l o c i t y i n f l u e n c e t h e s t a n c e c o n t r o l o f f y - 3 s a t e l l i t e . i n o r d e r t o r e d u c e t h e d i s t u r b a n c e t o t h e s a t e l l i t e , i t i s n e e d t h a t t h e v e l o c i t y s t a b i l i t y o f t h e d r i v i n g s y s t e m i s g r e a t e r t h a n 1 0 - 3 / s . b e c a u s e o f t h e c l e a r a n c e , f r i c t i o n i n f l u e n c e o f s t e p p i n g m o t o r , s l i d i n g r i n g , b e a r i n g a n d l o a d i n c l u d i n g i n t h e d r i v i n g m a c h i n e , t h e v e l o c i t y s t a b i l i t y d o n t r e a c h t h e r e q u i r e m e n t . s o t o i n c r e a s e t h e v e l o c i t y s t a b i l i t y , t h e w a v e f o r m m o d i f y s y s t e m i s b r i n g f o r w a r d . a c c o r d i n g t o t h e d r i v i n g m a c h i n e a c t u a l v e l o c i t y c h a r a c t e r , m o d i f y t h e d r i v e r s p u l s e c u r r e n t b y t h e w a v e f o r m m o d i f y s o f t w a r e ; i m p r o v e t h e v e l o c i t y s t a b i l i t y o f t h e d r i v i n g s y s t e m . t h e r e s e a r c h c o n t e n t o f t h i s p a p e r i n c l u d e s : ( 1 ) i n t r o d u c e t h e s t e p p i n g m o t o r a n d i t s s u b d i v i s i o n d r i v i n g s y s t e m , a n a l y z e t h e w a v e f o r m o p t i m i z a t i o n e f f e c t o f t h e s y s t e m a n d t h e r e s e a r c h a c t u a l i t y i n s i d e a n d o u t s i d e c o u n t r y , i n t r o d u c e t h e p a r t i c u l a r i t y o f p r o j e c t , t h e r e s e a r c h p u r p o s e , t h e r e s e a r c h m e t h o d a n d t h e p r o b l e m t h a t n e e d t o r e s o l v e . ( 2 ) a n a l y z e t h e t a r g e t s y s t e m t e c h n o l o g y p a r a m e t e r a c c o r d i n g t o t h e c o n s t r u c t i o n o f d r i v i n g s y s t e m , a n a l y z e t h e c o u r s e o f d i s p l a c e m e n t e r r o r a n d v e l o c i t y i n s t a b i l i t y , g i v e t h e a n a l y s i s o f t h e s y s t e m e r r o r , d e s i g n t h e p r o j e c t t e c h n o l o g y s c h e m e a s a 上海交通大学硕士论文 w h o l e . ( 3 ) d e s i g n t h e w a v e f o r m m o d i f y s y s t e m t e s t m e t h o d w i t h i n t h e s t e p p i n g m o t o r m o t i o n c o n t r o l , e n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n , d a t a c o l l e c t i o n , c o n s t r u c t t h e t e s t p l a t f o r m o f s y s t e m . ( 4 ) a n a l y z e a n d i n t r o d u c e t h e w a v e f o r m m o d i f y o p t i m i z a t i o n a r i t h m e t i c , g i v e t h e o p t i m i z a t i o n a r i t h m e t i c b a s e d o n t h e t r a d i t i o n a l m e t h o d a n d i t s s i m u l a t i o n r e s u l t . i n t r o d u c e t h e t h e o r y o f n e u r a l n e t a n d b p a r i t h m e t i c , g i v e t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f w a v e f o r m m o d i f y o p t i m i z a t i o n a r i t h m e t i c b a s e d o n n e u r a l n e t . k e y w o r d s: s t e p p i n g m o t o r , w a v e f o r m s u b d i v i s i o n , d a t a a c q u i r e , n e u r a l n e t , s t e p p i n g a n g l e , v e l o c i t y s t a b i l i t y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈现的学位论文是本人在导师的指导下独 立进行研究工作所取得的成果除本文中已经注明引用的内容外本 论文不包含任何其他个人或集体已发表或撰写过的作品成果对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中已明确方式标明本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名程志国 日期 2005 年 2 月 25 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子版 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一种用电脉冲信号来控制的电磁机械装置当外加一个脉冲信号作用于步进电机 时其转轴就转过一个角度所转动的角度称为步距角每个单步运行会引起相 应得步距振荡即影响步进电机输出轴的速度稳定性振荡振幅跟单步运行的增 量直接相关步距角越大振动越大速度稳定性越差步距角越小振动越小 速度稳定性越好有学者对步进系统的单步运行进行数据采集并由计算机绘出 单步运行响应曲线如图1 . 3 所示由图可见步进系统的单步响应为一衰减振荡过 程图示系统运行方式为三相六拍步距角为1 . 5采样间隔为3 毫秒显而易 见如要使步进电机单步运行时不发生失步或滑步则需要步进电机在每运行一 步后要在新的平衡位置稳定下来后驱动系统才能发出下一个脉冲试验装置 的每步振荡时间约为0 . 8 秒左右这说明如果不加细分或优化 步进电机的应用范 围将受到很大的限制 图 1 . 3步进电机单步运行响应曲线 f i g 1 . 3 c u r v e o f s t e p p i n g m o t o r s i n g l e s t e p r e sp o n s e 当电机和负载已经确定之后, 整个驱动系统的性能就完全取决于驱动电源和 0.35 秒0.7秒 上海交通大学硕士论文 5 控制方法, 采取什么样的驱动电源和控制方法是步进电机的一个重要研究课题 目前各种步进电机控制电路和方法很多控制效果最好的应首推细分控制法理 论和实践已经证明, 步进电机细分驱动可减少振动, 提高步距精度实践中遇到 的最大问题之一就是如何控制细分电流从而达到电机步距均匀 1 . 1 . 2步进电机细分驱动系统 近年来发展起来的步进电机细分驱动技术, 由于可以显著地减小步进电机的 步距角, 提高进给分辨率, 增加电机运行的平稳性 因而, 在实践中获得了广泛的应 用 步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流, 实现步进电机 励磁磁场合成方向的变化来使步进电机转动的 图1 . 4 是三相步进电机的磁场矢量 图图中的矢量, abc t t t 为步进电机a b c 三相励磁绕组分别通电时产生的磁 场矢量, , abbcca ttt为步进电机中a b b c c a 两相同时通电产生的合成磁场矢量 从图1 . 3 中可以看出, 当给步进电机的a b c 三相轮流通电时, 步进电机的内部磁 场从 a t 变化到 b t 再变化到 c t , 即磁场产生了旋转一般情况下, 当步进电机的励 磁磁场变化一周( 3 6 0 角) 时, 电机的转子转过一个齿距, 因此, 步进电机的步距 角可以表示成 m n = ( a ) ( b ) 图1 . 4 三相步进电机的磁场矢量图 f i g 1 . 4 m a g n e t i c v e c t o r o f 3- p h a s e s t e p p i n g m o t o r 其中n 为步进电机的转子齿数 m 为步进电机运行时两个相邻稳定磁场之间的夹 角, 它又与电机的相数m 和电机的运行方式有关在图1 . 4 a 中, 电机以三相单 三拍方式运行,120o m =在图1 . 4 b 中, 电机以三相六拍方式运行, 60o m = 在本文中, 采用接入绕组的线路状态数来定量表示电机的运行方式对步距角的 上海交通大学硕士论文 6 影响, m m之间的关系可用下式来表示 2 m m = 故步进电机的步距角为 2 nm = 从上式可以看出, 步进电机的步距角由电机的自身参数(,nm ) 和电机的驱动方 式() 决定, 常由于受电机制造工艺的影响, 使得靠增加,n m 来减小步距角受到 一定的限制, 而且电机一旦制造出来, ,n m 就不可变了但是如果在电机的驱动线 路中增加接入电机绕组的线路状态数, 即增大, 同样也可以获得较小的步距角, 达到细分步距角的目的在普通的步进电机的驱动线路中, 由于通过各相绕组的 电流是个开关量, 即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态, 相应的各相绕 组产生的磁场也是一个开关量, 只能通过各相的通电组合来改变接入绕组的线路 状态数, 但靠这种方式来增大通常受到较大限制, 以三相反应式步进电机为 例, 采用单三拍或双三拍方式工作时, = 1 , 而采用各相绕组的通电组合来增 加时, 最大只能增大到= 2 ( 即工作于图1 . 4 b 所示的三相六拍方式) 对 于相数较多的步进电机, 虽然的最大值略有增加, 但也很有限因此要想获得 较大的细分数, 就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流使其按一定的规 律上升或下降即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态相应的 磁场矢量幅值也就存在多个中间状态这样相邻两相或多相的合成磁场的方向也 将有多个稳定的中间状态大大地增大图1 . 5 给出了三相反应式步进电机八细 分时的各相电流状态和三相六拍运行方式相比, 在原来相邻的两种通电状态之 间又插入了三个稳定的通电状态从2 增加到8 使得步距角减小为单三拍运行 时的1 / 8 由此可见, 步进电机细分驱动的关键在于控制步进电机各相励磁绕组中 的电流 图1 . 5 三相步进电机八细分时相电流状态 f i g 1 . 5 p h a s e c u r r e n t s t a t e o f 8 s u b d i v i s i o n s t e p p i n g m o t o r 上海交通大学硕士论文 7 从前面的分析可知, 步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的励 磁绕组中电流的控制 使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化, 从而实现步进 电机步距角的细分最初的步进电机细分驱动只是对电机的绕组电流加以简单控 制如控制电流均匀上升下降等显然这样控制的结果将使细分后的步距角 变得很不均匀随着步进电机细分技术的发展如何通过改进电机相电流的控制 策略来增加电机细分的均匀性提高运行稳定性减少噪声及振动越来越受到人 们的重视并取得了很大进展有关试验和研究证明对于不同类型和相数的步进 电机应采取不同的电流控制策略例如有关资料指出对于两相双极型混合步进 电机采用正余弦的驱动电流较为理想而对于反应式步进电机一般采用谐波较 少的阶梯型驱动电流较为理想为了使步进电机细分驱动后力矩恒定而微步距均 匀近年来又提出了步进电机的恒力矩均匀细分相电流控制策略一般情况下, 合 成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小, 相邻磁场矢量的幅值决定了电机 旋转力矩的大小相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小恒 力矩均匀细分相电流控制就是通过合理地控制步进电机的相电流使步进电机内 部的合成磁场在空间作幅值恒定的均匀旋转运动因此要想实现对步进电机的 恒力矩均匀细分控制必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场 的幅值恒定, 而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀为了使 步进电机绕组中电流的变化引起电机内部励磁磁场方向变化必须至少有两相绕 组同时通电并且合成磁场的幅值保持一样大而在众多的满足这一要求的细分 技术中以正旋细分最为实用和常见下面以两相四拍步进电机为例来说明正旋 细分的原理 设两相四拍步进电机的绕组为a b 其绕组正向通电后产生的磁场方向为a b 反向通电后产生的磁场方向为 ,a b如图1 . 6 ( a ) 所示 步进电机不进行细分时 当以abababab的节拍运行时 合成磁场的夹角为90o合成磁场的幅 值都一样因此产生的电磁旋转力矩也一样当步进电机采用正旋细分时即控 制两相绕组的电流大小使其按如下规律变化, 如图1 . 6 ( b ) 所示 cos* sin* amb bmb iii iii = = 这样当每来到一个步进脉冲时合成磁场的转角只转动 b 就大大的减小了步 进电机的步距角并且合成磁场的幅值为 m i 固定不变确保了电磁旋转力矩也保 持不变从而保证了输出轴的速度稳定性 上海交通大学硕士论文 8 ( a ) ( b ) 图 1 . 6步进电机正旋细分 f i g 1 . 6 s i n e s u b d i v i s i o n o f s t e p p i n g m o t o r 从上面的分析可以看出对步距角进行细分可以提高步距精度增加系统运 行的稳定性理论上细分数越大步距精度就越高但是实际上由于步进电 机工作时都是带一定的负载的细分数越大细分电流就越小步进电机的电磁 转矩就越小如果干摩擦负载转矩相对电磁转矩很大时每一微步停稳位置有可 能是不固定的每一步起始点也就会不相同这样就会出现有些步大有些步小 的现象甚至会出现有些步根本不走的现象影响了细分后步距角的均匀性和动 态响应因此在选择细分数时要综合考虑选出最佳的细分数表 1 . 1 表 1 . 2 表 1 . 3中测得的数据是两相四拍双极性感应子式步进电机拖动丝杠系统的脉冲当 量值表中数据是在其他条件不变只改变细分数即在无细分二细分八细 分的情况下测出的从表中的数据可以看出细分数增加脉冲当量值减小提 高了定位精度可是细分后步距角的均匀性相对变差有时还会出现失步现象 2 . 5 3 1 2 2 . 7 6 8 5 2 . 2 1 4 8 2 . 5 3 1 2 表 1 . 1无细分时的脉冲当量值( u m ) t a b l e 1 . 1 p u l s e e q u i v a l e n t w i t h o u t s u b d i v i s i o n 1 . 8 1 9 3 0 . 6 3 2 8 1 . 8 1 9 3 0 . 7 9 1 0 0 . 8 7 0 1 1 . 3 4 4 7 1 . 7 4 0 2 0 . 7 9 1 0 表 1 . 2二细分时的脉冲当量值( u m ) t a b l e 1 . 2 p u l s e e q u i v a l e n t w i t h 2 - s u b d i v i s i o n 上海交通大学硕士论文 9 0 . 3 9 5 5 0 . 3 9 5 5 0 . 4 7 4 6 0 . 3 9 5 5 0 . 0 0 0 0 0 . 1 5 8 2 0 . 0 0 0 0 0 . 6 3 2 8 0 . 0 0 0 0 0 . 9 4 9 2 0 . 3 9 5 5 0 . 3 1 6 4 0 . 0 7 9 1 0 . 0 0 0 0 0 . 3 1 6 4 0 . 2 3 7 3 0 . 3 1 6 4 0 . 6 3 2 8 0 . 7 1 1 9 0 . 2 3 7 3 0 . 2 3 7 3 0 . 0 0 0 0 0 . 1 5 8 2 0 . 3 9 5 5 0 . 0 0 0 0 0 . 7 9 1 0 0 . 4 7 4 6 0 . 0 0 0 0 0 . 5 5 3 7 0 . 1 5 8 2 0 . 0 0 0 0 0 . 3 1 6 4 表 1 . 3八细分时的脉冲当量值( u m ) t a b l e 1 . 3 p u l s e e q u i v a l e n t w i t h 8 - s u b d i v i s i o n 1.2国内外研究现状 步进电机细分驱动技术的出现显著的减少了步进电机的步距角提高了进 给分辨率增加了电机运行平稳性使步进电机的使用范围大大增加但由于步 进电机及其驱动器本身的限制当步进电机的细分数达到一定值时再提高细分 数已经不能显著改善电机性能了如两相四拍的永磁感应子式步进电机其细分 数为512时已经基本达到电机性能的极值 再增加细分数已经不能显著改善电机的 性能了因此在一些使用要求较高的场合就需要提出另外的方法来提高电机的 性能因此国内外研究者不断的探讨研究提出了一些新的思路和方法这些方 法的提出使我们对步进电机的运行特性有了一个深入的了解对我们研究和理解 步进电机及其机电系统有很大的帮助 对步进电机的优化分析已经有很多方法出现在这其中有的是对步进电机 的物理模型进行分析和建模从理论上来分析步进电机的运行特性矩角特性及 其影响因素并通过仿真来进行验证为优化分析提供了理论上的依据有的是 从试验的角度建立步进电机的测试系统对步进电机进行辅助分析测试从电 机的实际运行数据中分析得出合理和可行的结论还有的则是利用模糊神经网络 的方法对步进电机控制系统进行参数辨识实现其优化控制目的在这里我们只 简要介绍其中几种以便对电机的优化分析有一个大概的了解 1 理论建模分析及仿真 步进电机的结构有很多种每一种具体的电机结构都有对应得理论模型以 两相混合式步进电机为例其等效电路如图1 . 7 所示 根据电路图建立其二相绕组回路的电压方程如下 ab aa aaaaba didi vr illu dtdt =+ ab bb bbabbb didi vr illu dtdt =+ 上海交通大学硕士论文 10 图1 . 7 步进电机等效电路 f i g 1 . 7 e q u i v a l e n t c i r c u i t o f s t e p p i n g m o t o r 其中 a v bv 分别为 a b 相绕组的端电压单位v a r br 分别为 a b 相绕组的电阻单位 a i bi 分别为 a b 相绕组的电流单位 a a l bl 分别为 a b 相绕组的自感 ab l 为 b 相绕组对 a 相绕组的互感 ba l 为 a 相绕组对 b 相绕组的互感 a u bu 分别为 a b 相绕组的旋转电压单位v 将上式电压方程改写作下面形式 ()() abbaaa aabbbb b aa bbab ba dilvur ilvuri dtl ll l = ()() baabbb bbaaaa a aa bbba ab dilvur ilvur i dtl ll l = 这样就建立了步进电机的电气理论模型从理论模型可以得到绕组电流绕 组控制电压绕组线圈电阻电感等参数之间的关系为步进电机的理论分析提 供依据 2 微机辅助测试方法 微机辅助测试方法即是建立步进电机机电系统的测试平台利用测试平台从 实际的机电系统中测得电机的运行数据然后根据一定的理论分析修改电机的控 制参数从而达到优化的目的如为配合国家八五重点科技项目高性能大 功率步进电机驱动系统攻关需要而研制的计算机辅助测试系统就是在分析了 常用的步进电机矩频特性测试原理的基础上提出的一种新的测试方法 图1 . 8 为此 测试系统原理图采用单片机为下位机工业计算机为上位机构成的测试系统 图中微机用于对步进电机运行频率和状态进行控制磁粉制动器作为加载装置 由人工调节输入制动器电流的大小则相应改变对步进电机驱动系统的负载而 上海交通大学硕士论文 11 只读数字式转矩转速测量仪则采用时钟脉冲去填充相位差式转矩传感器经放大整 形异或检相后输出的两路矩形波脉冲信号通过计数单位时间内的脉冲数来计 算与轴的转矩成正比的检相门输出的矩形脉冲宽度进而求得轴上的转矩同样 用时钟脉冲填充传感器输出后经放大整形的矩形波脉冲信号而矩形波信号的周 期与轴的转速成反比从而得到转速值进行这种测试方法成功的实现了步进电 机驱动系统转矩转速的自动测量和步进电机加载装置的自动控制实践证明与 常用的测试系统相比简化了系统结构又大大提高了矩频特性测试的精度和效 率得到系统得距角特性和其他一些运行特性后可以分析其数据从而得到系统 的优化方案 图1 . 8 测试系统原理 f i g 1 . 8 t h e o r y o f t e s t s y s t e m 3 模糊神经网络控制优化 模糊神经网络控制优化即是采用现代模糊控制和神经元网络控制相结合的方 式来对步进电机进行优化控制图1 . 9 为模糊神经网络控制优化的原理图对于步 进电机闭环控制, 所要控制的量是输入电压的脉冲频率 脉冲频率决定步进电机旋 转速度, 脉冲频率的变化率决定步进电机的旋转加速度 结构图中的模糊神经网络 控制器( f n n c ) 是本文所设计的主要控制器件 控制器的输入信息是步进电机驱动 运动部件的位移偏差和偏差的变化率( e 和e ) , 输出信息是控制数控振荡器的控 制电压u ; 数控振荡器的输出脉冲, 可随输入电压的大小而改变, 调节数控振荡器的 输入电压可改变节拍的频率, 使步进电机的旋转速度实现连续可调, 从而使运动部 件的位移跟踪输入指令; 光栅检测是检测工作对象实际位移情况, 用来计算与给定 希望值的偏差及偏差的变化率在原理图中模糊神经网络控制器是所要 图1 . 9 模糊神经网络控制优化 f i g 1 . 9 c o n t r o l o p t i m i z e o f f u z z y n e u r a l n e t 设计的主要器件其中模糊逻辑控制的条件规则和控制器的层次结构是其中的主 要内容而模糊神经网络的学习及参数调整则是难点和核心如果条件规则和层 稳流电源 磁粉制动器 相位差式 转矩传感器 转矩转速 测量仪 步进电机 驱动电源 微机 nn 上海交通大学硕士论文 12 次结构设计合理网络的学习及参数调整也恰当的话系统会表现出良好的机电 特性经系统仿真证实当给定值为阶跃信号时, 步进电机加速平稳, 没有丢步 失控现象用示波器观察, 频率连续平稳增加在驱动运动部件定位实验中, 选定4 个定位点, 每个点测1 0 次, 测试结果与给定值误差不超过0 . 0 0 8 m m 1.3本研究项目的特殊性 从上面的介绍可以看出现在的细分步进电机波形优化技术大多都是针对步 进电机本身的优化并没有考虑到其他一些因素如减速器负载等对步进电机 的影响但是步进电机在实际的使用中是一定会带负载的在有些情况下还有可 能带减速器等其他部件因此就有可能出现这种情况对步进电机本身的细分优 化取得了很好的效果步进电机的运行性能得到了很好的提高但是带上负载或 减速器后整个系统的运行性能又受到影响甚至还不如细分优化前这样就大 大降低了细分优化的价值和意义 本项目最大的特点在于对步进电机细分波形的优化不仅仅局限于对步进电机 本身的波形优化而且是对包括步进电机减速器负载等在内的整个机电系统 的波形优化即要保证波形优化后负载运行特性的稳定这是本项目研究和其他 波形优化技术最大的不同之处这就需要建立整个机电系统得测试平台从系统 的角度来分析问题除此之外本系统还有以下几个显著特点需要在细分优化 时整体综合考虑 1 谐波传动减速器 在本步进电机驱动系统中由于所需要的太阳能电池阵运动速度非常低而 转矩要求较大不可能直接用步进电机驱动因此在电机后有一谐波减速器来对 步进电机的输出轴进行减速和增加驱动力矩所以对本系统的波形细分优化就 不仅仅只考虑步进电机本身的因素而是要综合谐波减速器的影响因此在此需 要简要介绍谐波减速器谐波减速器是一种通过谐波齿轮传动的器件是一种靠 中间挠性构件弹性变形来实现运动或动力传递的装置的总称一般由以下三个基 本构件组成谐波发生器内齿轮外齿轮谐波传动具有结构简单体积小 传动比大承载能力大运动精度高运动平稳无冲击噪声小等诸多特点 因此广泛应用在航空航天等领域由于谐波减速器本身的结构原理和运动特点 也会产生一定的运行误差因此在进行波形优化时就需要考虑其特点 2 负载惯量盘的模拟 由于在建立测试系统时不可能采用实际要上天使用的太阳能电池阵因此 就需要设计模拟负载来代替太阳能电池阵在设计模拟负载时要保证其物理特 性和原有的太阳能电池阵一样这样才能准确的反映真实的负载特性如转动惯 上海交通大学硕士论文 13 量一阶扭转频率等这样就对模拟负载提出了一些要求除此之外还要考虑转 动稳定性同心性等其他一些因素 3 失重条件下无摩擦力的模拟 由于在太空条件下的失重状态驱动轴系在带动太阳电池阵的运动过程中不 存在摩擦力并且负载轴也不存在饶性变形但是实验测试是在地面进行的因 此存在一个环境模拟的问题即消除转动摩擦力和变形的影响我们采用的是施 加主动力矩的方法对太阳能电池阵的替代物惯量盘施加一主动力矩其主动力 矩的大小等于摩擦力矩这样就可以补偿掉摩擦力矩的作用模拟出失重条件下 无摩擦力的状态但是由于具体采用的是磁滞加载器的方法因此需要考虑其电 磁稳定性等因素 1.4研究目的方法及要解决的关键问题 本波形修正测试系统为为f y - 3 卫星太阳电池阵对日定向驱动专用系统其研 究目的是要建立专用的波形测试修正试验台提出专用的波形修正算法对f y - 3 卫星太阳电池阵对日定向驱动系统进行测试数据分析及最终修正达到其要求 的系统总体速度稳定性为优于1 0 - 3 / s 从总体上考虑整个修正过程分两步第一步测试并修正电机第二步测试 并修正整个驱动机构为了考察负载对系统的影响每一步又分为系统带负载和 系统空载 a . 首先建立电机和模拟负载测试台检测步进电机工作时的速度波动 利用角度传感器获得步进电机的角度误差 将此误差反馈给控制计算 机 控制计算机根据误差情况利用波形修正算法针对驱动脉冲的波形 进行修正从而减小电机的速度波动提高电机的速度稳定度工作 原理如图1 . 1 0 所示 图1 . 1 0 修正电机原理 f i g 1 . 1 0 t h e o r y o f m o d i f y m o t o r 控制 计算 机 功率 驱 动 步进 电机 角度传 感器 数据 采集 卡 模拟 负载 力矩 传感 器 上海交通大学硕士论文 14 b . 然后建立驱动机构和模拟负载测试修正系统 针对整个驱动系统的角 速度波动情况进行修正使驱动系统的速度稳定度达到技术指标要 求修正原理如图1 . 1 1 所示 图1 . 1 1 修正驱动系统原理 f i g 1 . 1 1 t h e o r y o f m o d i f y d r i v i n g s y s t e m 整个测试修正系统的关键问题一是步进电机测试系统的建立其中包括负载 模拟环境模拟步进电机控制同步数据采集等一系列问题其二是波形修正 算法的设计算法设计的合理性和可行性直接影响到修正系统最后的效果因此 本论文的文章结构为第一章进行原理性的介绍对步进电机及其细分驱动系统 本课题的研究方法难点等作简要介绍第二章进行步进电机波形细分测试修正 系统的概述对项目的背景意义技术参数及总体方案作了阐述对系统从结 构上分为测控系统和波形修正算法并对这两者作了简要的概述第三章具体阐 述系统测控方案的设计其中包括步进电机驱动控制所需要的环境模拟实现方 法测试系统的数据采集等硬件方案第四章则是对本系统的波形修正算法进行 分析和设计从方法上分为基于传统算法的波形修正优化算法和基于神经元网络 的波形修正优化算法并对系统的采集数据进行分析和仿真 第二章 步进电机波形细分修正系统概述 2.1项目背景分析 f y - 3 卫星太阳电池阵步进电机驱动机构及其配置的驱动器是太阳电池阵对日 定向的执行机构驱动机构带动太阳电池阵对日定向转动转动速度稳定与否直 接影响 f y - 3 卫星姿态控制为了减小对卫星姿态控制的干扰 总体要求驱动机构 驱动速度稳定性优于 1 0 - 3 / s 图 2 . 1 为 f y - 3 卫星太阳电池阵对日定向驱动系统的示意图 由卫星姿轨控制 系统发送的指令经驱动器产生驱动电流驱动步进电机产生转动经谐波减速组 件简称驱动轴系下同减速后带动执行机构负载太阳电池阵转动以完成 驱动机构 控 制 计 功 率 步 进 电 机 轴 系 数 据 采 模拟 负载 力 矩 传 感 器 角度传 感器 上海交通大学硕士论文 15 对日定向 步进电机 驱动器 步进电机驱动轴系 太阳电池阵 命令 驱动机构 图2.1卫星太阳电池阵驱动系统的示意图 f i g 2 . 1 s k e t c h o f s o l a r a r r a y d r i v i n g s y s t e m 驱动机构输出轴的速度平稳性直接影响 f y - 3 卫星的姿态控制 为此已在与驱 动机构配套使用的步进电机驱动器中采用软件细分技术以提高驱动速度的稳定 性但由于驱动机构内步进电机滑环轴承等转动部件内的转动间隙摩擦及 负载扰动等因素驱动机构输出轴速度稳定性还未优于 1 0 - 3 / s 为了进一步提高驱动机构出轴速度稳定度故提出本驱动机构驱动电流波形 正系统即根据驱动机构实际速度特性通过专用的波形修正软件修正驱动器 所输出的脉冲电流波形从而改善驱动机构转动的速度平稳性 2.2项目研究的目的和意义 驱动机构的转动部分主要有步进电机减速器驱动轴等组成其工作原 理是驱动器接受姿轨控系统的指令 步进电机接受来自驱动器的驱动脉冲电流 按照要求的速度转动经过减速器减速传动后使驱动机构驱动轴带着负载一起 转动 如 步进电机以 6 . 5 6 步/ 秒的速度转动 则驱动轴以 0 . 0 5 9 / s 的速度转动 按设计要求其速度稳定度为 1 0 - 3 / s 与驱动机构配套使用的步进电机驱动线路 驱动器驱动线路采用 c p u 单片 机软件细分驱动技术提高了驱动速度的稳定性 但是由于驱动机构内步进电机滑环轴承等转动部件内的转动间隙摩擦 及负载扰动等因素驱动机构输出轴速度还存在一定的波动因此为了更进一 步提高速度稳定度故研制步进电机波形细分测试修正系统目的是根据驱动机 构实际速度输出特性反馈给驱动器形成闭环系统通过专用的波形修正设备和 修正软件修正驱动器所输出的脉冲电流波形获得修正数据开环后将此数据 注入驱动器使驱动机构转动的速度满足 1 0 - 3 / s 的要求 步进电机是一种将数字脉冲量转换为旋转或直线增量的特殊电机具有快速 起停精确步进直接接受数字量的优点因此广泛应用于各种自动化装置中 近年来更是发展了步进电机细分驱动技术显著的减少了步进电机的步距角 提高了进给分辨率增加了电机运行平稳性但是由于步进电机及其驱动器本身 的限制当步进电机的细分数达到一定值时再提高细分数已经不能显著改善电 机性能了一般情况下经过细分后的步进电机可以满足大多数的使用要求但 是在一些特殊的高精度高稳定性的使用要求下步进电机经过细分后仍然达 不到要求特别是在步进电机后端加装传动系统和负载后由于传动系统的加工 上海交通大学硕士论文 16 制造安装误差和负载的影响使得输出轴的位移速度等出现波动表现为一定 的不稳定性而这在高要求的使用条件下是不允许的因此对步进电机细分波 形修正系统的研制在实际应用中有着重要的意义也会进一步扩大步进电机的使 用范围 2.3项目的技术参数分析 整个卫星太阳电池阵步进电机驱动机构及其配置的驱动器由步进电机驱动 轴系太阳能电池阵步进电机驱动器组成这些部件都是 f y - 3 卫星的一部分 这些部件的技术参数对本项目的方案设计和优化算法有着重要的影响 2 . 3 . 1步进电机 步进电机永磁感应子式步进电机 技术参数 a 相数与拍数二相四拍baabbaab,顺时针旋转 b 步距角0 . 9 c 每相额定峰值电流 0 . 6 a ( 细分状态) d . 静力矩1 n m e . 定位力矩0 . 1 0 . 3 n m f . 输出力矩当每相额定电流为 0 . 6 a ( 细分状态) 负载惯量为 1 4 4 k g c m 2 运行频率为 6 6 . 6 7 h z 时输出力矩0 . 5 n m 2 . 3 . 2驱动轴系 驱动轴系谐波减速组件 技