【《电机行程测试与控制的单片机设计》17000字】

电机行程测试与控制的单片机设计摘要：步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的开环装置，又称为脉冲电机，其输入为脉冲序列，输出为相应的转角位移或直线行程。针对开环控制下，步进电机存在丢步、堵转、噪音大及效率低等问题，本文以4线2相步进电机为研究对象，基于STM32单片机和PID闭环控制器，设计了可精准控制步进电机角度位移的单片机系统。闭环控制器利用ATSAMD21G作为PID闭环控制算法的运行平台。在MATLAB中使用Simulink平台搭建了PID控制算法的系统模型，进行PID算法的系数和传递函数等各项参数的仿真调试。选择STM32F103VET6芯片作为整个系统的主控芯片，完成主控模块和串口通信模块等各部分硬件电路设计，使用Keil作为整个控制系统软件的编程环境，对主要的控制程序进行设计与调试。经过实验成果展示，步进电机在PID闭环控制算法下的角位移误差较小，并且控制的响应时间较快，拥有优秀的稳定运行状态以及较强的抗干扰能力，可以满足一些复杂条件下精准运行。关键词：步进电机；PID闭环控制；STM32；精准定位目录1绪论 11.1课题研究背景与意义 11.2步进电机控制技术的发展及研究现状 11.3步进电机驱动技术 21.3.1正弦细分驱动技术 31.3.2脉冲宽度调制技术 31.3.3升降压控制技术 31.4步进电机控制系统 4242步进电机的工作原理及驱动技术 42.142步进电机的结构及参数 42.242步进电机的工作原理 62.342步进电机细分驱动原理 92.4H桥双极性驱动 103基于PID的闭环控制 113.1PID控制理论 113.1.1位置式PID算法 123.1.2增量式PID 133.1.2位置式PID与增量式PID对比 133.2PID控制算法的MATLAB仿真及参数整定 143.2.1PID控制算法的MATLAB仿真 143.2.2PID参数整定 193.3PID闭环控制驱动器的实现 213.3.1PID闭环控制驱动器的软件实现 213.3.2PID控制器的硬件设计 234四线二相步进电机闭环控制系统和软件实现 284.1控制系统的总体框架 284.2主控系统的硬件设计 294.2.1主控芯片的选型 294.2.2主控系统各部分电路设计 304.3主控系统的软件设计 344.3.1软件开发平台 344.3.2主控制系统程序的设计 354.4实验测试 364.4.1实验搭建 364.4.2实验结果分析 375结论 38参考文献 411绪论1.1课题研究背景与意义电能是当今世界最重要的能量来源，电力的生产、输送和使用都离不开电动机。电机作为大部分机械电子产品中不可或缺的重要部件。工业化生产的推广的程度愈来愈高，电机控制系统要求高精密、效率高、高应变性、智能化系统和一体化。包含电机以及控制系统软件内的电机领域行业前景广泛看中。再加上MCU、DSP、FPGA等电机控制技术的迅速发展趋势，完成性能卓越的无转速传感器综合控制变速系统将变成将来电机控制销售市场的发展趋向。据环球观察公司的调查，世界电机的市场在2025年将会达到1550亿美金。纵观全球电机的竞争情况，通用电气(GE)、西门子、ABB、东芝三菱等多个国际巨头占据了绝对优势，他们掌握着世界最先进的电机设计制造技术。为超越国外电机控制的技术水平，研究如何高精度、高效率、高灵活、智能化和集成化控制电机尤为必要。1.2步进电机控制技术的发展及研究现状我国步进电机行业的发展较晚，直到20世纪50年代末，才有清华大学为首的国内高校对步进电机开始研究项目，最早使用的是反应式步进电机，至今使用范围仍然很广泛ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>唐佳伟</Author><Year>2016</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">26</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>唐佳伟</author></authors><tertiary-authors><author>金海,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>两相混合式步进电机细分控制器的设计</title></titles><keywords><keyword>两相混合式步进电机</keyword><keyword>细分控制</keyword><keyword>续流控制</keyword><keyword>交替续流</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><publisher>浙江理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[1]。从20世纪六十年代起，我国开始研究三相磁阻式步进电机，至20世纪70年代国内高速数控切割机等数控设备的问世极大地推动了步进电机的发展，各种高性能步进电机相继问世ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>胡静</Author><Year>2010</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">27</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>胡静</author></authors><tertiary-authors><author>刘永红,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>三相混合式步进电机恒频斩波恒总流驱动的动态仿真研究</title></titles><keywords><keyword>三相混合式步进电机</keyword><keyword>数学模型</keyword><keyword>恒频斩波恒总流驱动</keyword><keyword>单步响应</keyword><keyword>Simulink仿真</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><publisher>武汉理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[2]。二十世纪末，我国开始了混合式步进电机的科学研究新项目，资金投入很多人力物力科研资源开展步进电机精密度实体模型的科学研究。混合式步进电机以其效率高、可靠性强、力矩大，并且拥有良好的矩频特性等特点，在国内外大受欢迎，其中三相和五相这两种电机型号在国内得到了广泛的应用，相应的混合式步进电机驱动控制技术也在迅速发展。欧洲国家比较早地开始了对步进电机的研究，早在1920年，英国就开始了对步进电机的研究，是世界首个研究步进电机的国家。国外学者在步进电机的控制算法上，研究了新型PID控制器，对步进电机控制理论的研究起到了指导性作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>沈绍敏</Author><Year>2018</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704209">12</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>沈绍敏</author><author>靳璐</author></authors></contributors><auth-address>天津瑞奇外科器械股份有限公司;</auth-address><titles><title>步进电机驱动技术现状及发展</title><secondary-title>电子技术与软件工程</secondary-title></titles><periodical><full-title>电子技术与软件工程</full-title></periodical><pages>91</pages><number>16</number><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>步进电机驱动</keyword><keyword>细分驱动</keyword><keyword>步进电机系统</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><isbn>2095-5650</isbn><call-num>10-1108/TP</call-num><urls><related-urls><url>/kcms/detail/10.1108.TP.20180824.1414.130.html</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[3]。海外对步进电机的科研热度自步进电机研发以来一直没有消退。现阶段，海外很多情况下使用专用型处理芯片来控制和驱动步进电机，这也是他们控制和驱动步进电机的具体发展规划。这有益于节约驱动器的耗材，减小体积，明显提升驱动器的综合效能。典型性的控制源芯片有两大类：一类处理芯片的核心内容是用硬件配置和微程序以确保步进电机完成快捷有效的加减速运动全过程，进行步距角的记步、使能正反转等。针对开环进行控制的步进电机，有效率地控制提速和降速转动全过程可以使其做到较高的输出功率，并减少转子走步的遗失或超调。另一类处理芯片的核心内容是完成步距角细分化的功能，处理芯片集成化了PWM斩波控制和作用于双极性驱动电路的函数型步距角细分控制功能。目前也存在缺点，由于集成芯片受到耐压、电流容量等条件限制，一般只能用于小功率步进电机的驱动ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张航鲜</Author><Year>2007</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">31</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张航鲜</author></authors><tertiary-authors><author>杨银堂,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>新型步进电机驱动电路的研制</title></titles><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>脉宽调制</keyword><keyword>细分驱动</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4]。DaishinIsob等人提出了一种步进电机的数字控制方法。采用直接PIM方法设计了原数字控制回路，控制器能在不影响步进电机加速性能的前提下，在高速范围内对电机的转速和减速进行良好的控制ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Daishin</Author><Year>2021</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>IsobeDaishin</author><author>HoriNoriyuki</author><author>KawaiShin</author><author>YagiKeisuke</author><author>NguyenVanTriet</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofIntelligentandMechanicalInteractionSystems,UniversityofTsukuba,Tsukuba305-8577,Japan(S.K.)(T.N.-V.);NationalInstitudeofTechnology,OyamaCollege,Oyama323-0806,Japan;DomainofMechanicalSystemsEngineering,IbarakiUniversity,Hitachi316-8511,Japan</auth-address><titles><title>DigitalControlofaSteppingMotorforEliminatingRotationSpeedFluctuationsUsingAdaptiveGains</title><secondary-title>Electronics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Electronics</full-title></periodical><volume>10</volume><number>11</number><keywords><keyword>steppingmotor</keyword><keyword>adaptivecontrol</keyword><keyword>digitalcontrol</keyword><keyword>unevenrotation</keyword><keyword>chattering</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[5]。近年来，国外许多厂商接连推出了多种驱动芯片与新型步进电机控制器，SangminSuh提出了一种可以改善永磁步进电机位置跟踪性能的基于电流误差的非线性迭代学习控制器(ILC)，可以减小系统重复执行相同操作时的位置跟踪误差ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sangmin</Author><Year>2021</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">10</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>SuhSangmin</author><author>KimWonhee</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofInformationandTelecommunicationEngineering,Gangneung-WonjuNationalUniversity,Wonju-si,Gangwon-do26403,Korea;SchoolofEnergySystemsEngineering,Chung-AngUniversity,Seoul06974,Korea</auth-address><titles><title>PositionControlBasedonAdd-on-TypeIterativeLearningControlwithNonlinearControllerforPermanent-MagnetStepperMotors</title><secondary-title>AppliedSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>AppliedSciences</full-title></periodical><volume>11</volume><number>2</number><keywords><keyword>permanent-magnetsteppermotor</keyword><keyword>positioncontrol</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[6]。新型电机也不断产出，MohammadrezaHojati介绍了一种新型的混合式步进电机结构，该结构包括一个三段转子和一个二段定子，与传统的混合式步进电机相比，这种结构可以使用更高的线圈激励和适用更高的转子直径，这些优点使得转矩密度显著增加，从而提升电机性能ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mohammadreza</Author><Year>2021</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">5</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>HojatiMohammadreza</author><author>BaktashAmir</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofMechatronics,ArakUniversity,Arak,Iran;DepartmentofElectricalEngineering,NajafabadBranch,IslamicAzadUniversity,Najafabad,Iran</auth-address><titles><title>Designandfabricationofanewhybridsteppermotorwithsignificantimprovementsintorquedensity</title><secondary-title>EngineeringScienceandTechnology,anInternationalJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>EngineeringScienceandTechnology,anInternationalJournal</full-title></periodical><volume>24</volume><number>5</number><keywords><keyword>Holdingtorque</keyword><keyword>Hybridsteppermotor</keyword><keyword>Torqueanalysis</keyword><keyword>Torquedensity</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>2215-0986</isbn><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[7]。在国内外科研人员的努力研究下，步进电机的设计、驱动和控制技术得到了快速发展。1.3步进电机驱动技术步进电机的驱动分类是依据穿过绕组的电流的方向来确定的。穿过绕组的电流只能从一个端口流入或流出称之为单极性驱动；穿过绕组的电流能从同一个端口流进，也能从同一个端口流出，则称之为双极性驱动。单极性驱动就是控制单方向的电流注入电机驱动使能步进电机，常见于反应方程步进电机的控制。由于永磁式步进电机和混合式步进电机的转动原理，转子的转动时电机定子产生的磁场方向要求N和S极更替，根据法拉第电磁感应定律，改变通电线圈产生的磁场方向就要改变通电线圈的通电电流方向，所以控制其绕组线圈流入电流的电路为双极性驱动电路。单极性驱动的驱动方法通常情况下用在一般型号的三相和四相步进电机的驱动中，而两相步进电机根据其物理结构只适合双极驱动。常规的双极性驱动电路通常采用2个全H桥功率输出通电开关。单极性步进电机绕组的通电与置空的比例要比双极性步进电机低。依据功率驱动级的电路架构来分类，可分成电压驱动和电流驱动两种驱动方法。电压驱动方法下又可以细分成串联电阻驱动和双电压驱动。电流驱动方式中使用最广泛、适用性最大的为电流反馈斩波驱动。步进电机驱动还存在高速旋转时工作效能低下的问题，原因是将加快功率电路的开关频率后，由于绕组为线圈，存在电感感抗，电机相绕组的电流不能快速的升高或降低，并且幅值较低。因此，驱动电路采用过激励方式，以解决被驱动的相绕组都有较大的电感，总是使电流变化滞后于施加的开关电压的问题ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张航鲜</Author><Year>2007</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">31</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张航鲜</author></authors><tertiary-authors><author>杨银堂,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>新型步进电机驱动电路的研制</title></titles><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>脉宽调制</keyword><keyword>细分驱动</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4]。历经几十年的磨合，如今电机驱动研究的发展已经跟随电机研究的发展趋势相同了，研究人员们会从电机的结构特点上进行电机驱动器的研究，开发适合的驱动器驱动技术。1.3.1正弦细分驱动技术步进电机的工作实质上是利用励磁线圈的磁向量的矢量和使转子旋转。在不进行分割时，步进电机的环线圈电磁感应生成的向量之和将按固定方向转动，如果把该固定角再分成几等分，就能得到步距的细分。因为在励磁线圈上电以后，所生成的磁场与所经过的电流是成比例的，所以所生成的磁场的向量和所形成的磁场的方向和大小是可以被控制，这是因为所述步进电机的线圈所生成的。当步进电机进行半步模式或整步模式时，只需对绕组进行输入电流或输出电流的操作，当步进电机处于细分步距角的模式下就需要准确控制流过电机线圈中流过电流的大小ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈志聪</Author><Year>2008</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">29</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>陈志聪</author></authors><tertiary-authors><author>郭东辉,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>步进电机驱动控制技术及其应用设计研究</title></titles><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>正弦细分驱动</keyword><keyword>运动控制</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><publisher>厦门大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[8]。1.3.2脉冲宽度调制技术目前精准控制绕组电流的大小一般采用脉冲宽度调制（PWM）技术。PWM技术是建立在以下理论基础上：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孔祥东</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">33</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>孔祥东</author></authors><tertiary-authors><author>王伟,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现</title></titles><keywords><keyword>混合式步进电机</keyword><keyword>细分驱动器</keyword><keyword>脉宽调制</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><publisher>大连理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[9]。由于感应线圈中的电流具有滞后的特点，使其无法瞬间改变，且具有明显的惯性环节特点，PWM技术可以用于对步进电机的电压进行调节，同时，由于脉宽的变化，绕组的电压也会随之变化，因而PWM用于对绕组的电压进行准确的调节ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>姜杏辉</Author><Year>2008</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">30</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>姜杏辉</author></authors><tertiary-authors><author>邹丽新,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于可控电流源的高精度高细分数步进电机电细分驱动技术的研究</title></titles><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>可控电流源</keyword><keyword>细分驱动</keyword><keyword>非线性补偿</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><publisher>苏州大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[10]。1.3.3升降压控制技术升频升压控制技术是通过变换电路，使加在电机绕组上的电压随着运行频率的升高而升高，从而在一定的升频升压频域内保持电流和牵出转矩基本恒定ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>吴欣</Author><Year>2009</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">28</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>吴欣</author></authors><tertiary-authors><author>高晗璎,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于DSP的三相混合式步进电动机正弦波细分驱动技术的研究</title></titles><keywords><keyword>混合式步进电动机</keyword><keyword>正弦波细分</keyword><keyword>PWM</keyword><keyword>DSP</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><publisher>哈尔滨理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[11]。采用该方法可以减小步进电机在低频工作时的供给，从而减少步进电机在低频的情况下发生振荡的问题，提高其低频特性。当前技术还不能使用闭环控制的方式还控制升压电压，所以电压开环控制存在下列问题：开环控制电压，电容受供电电压波动的影响；驱动器输出的电压大小与绕组的电阻决定着通过步进电机绕组的电流大小，因而电流易受环境如电源电压、电机本身电气参数等因素的影响，进而导致步进电机转矩降低或励磁线圈过热ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张健</Author><Year>2018</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">24</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张健</author></authors><tertiary-authors><author>崔皆凡,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于STM32的两相混合式步进电机闭环控制系统的研究</title></titles><keywords><keyword>两相混合式步进电机</keyword><keyword>位置控制</keyword><keyword>速度反步控制器</keyword><keyword>STM32</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>沈阳工业大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[12]。由于步进电机的电阻非常低，低速运行时驱动器要保证不产生过电电流必须保持较小的输出电压，而过低的绕组电压使得电机的快速响应性较差，驱动器适应性差，必须针对不同型号的电机调整驱动器，现已提出一种利用电压反馈的升频升压控制技术，并已经投入使用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刁奉丽</Author><Year>2006</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">32</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>刁奉丽</author></authors><tertiary-authors><author>李敏远,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>二相混合式步进电机微步驱动技术的研究与实现</title></titles><keywords><keyword>步进电动机</keyword><keyword>微步驱动</keyword><keyword>电流控制</keyword><keyword>恒频脉宽调制</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[13]。1.4步进电机控制系统步进电机是一种脉冲使能增量运动的电磁感应执行器，向步进电机各个相绕组根据一定的逻辑顺序发送特定频率的电脉冲，使步进进行角度位移或者机械运动。所以，必须配合相应的驱动源和驱动器。步进电机、驱动器和主控器三者组成的系统被称为步进电机系统。步进电机系统的机械输出，如转速、旋转角度等，都与输入系统的脉冲频率、脉冲个数有严格的对应关系，使其在数字控制系统适用性极高。步进电机控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，开环控制系统常用于对精度要求不高的场合，在电机低速运行时易形成振荡区，在谐振区的振动噪声较一般振荡区的大，并且在负载转矩出现急剧变化时，电机容易产生丢步或者超前调步等一系列问题，所以开环控制一般在负载较轻，对转动精度不高的情况下使用。与开环控制相反，闭环控制的方式可以减小步进电机行程的误差，多用于负载状态多变，精度要求较高的使用场景。242步进电机的工作原理及驱动技术2.142步进电机的结构及参数步进电机的分类繁多，根据相数不同可以分为单相步进电机、二相步进电机、三相步进电机、四相步进电机和五相步进电机等。四线二相步进电机的内部结构有四条接线，构成两条回路，即两个绕组故称两相。因为两个线圈构成的两个回路没有公共端，所以两个线圈内的电流的方向可以改变，既可以是正向的又可以是反向的，故也称四线二相步进电机为双极性步进电机。42步进电机具有步距角小、范围宽、功耗低、易于控制等优点，如今已被广泛应用于各个领域。42步进电机的内部结构图如图2-1所示图2-142电机内部结构图本文所用到的42步进电机的电气参数如表2-1所示表格2-142步进电机的电气参数特性规格相数2步距角1.8°±0.09°额定电压DC3.6V额定电流DC1.5A/相相电阻（20℃）2.4×（1±15%）Ω/相相电感（1KHZ）3.7×（1±20%）mH/相保持转矩≥420mN.m定位转矩15mN.mREF.转向（轴伸向看）A-AB-B-顺时针最大空载启动频率≥1500PPS最大空载运行频率≥1900PPS绝缘阻尼≥100MΩ（DC500V）电气强度AC600V/1mA/1S绝缘等级B级转动惯量57.3g.cm2质量255gREF.（1）相数：励磁线圈的对数，其能生成N和S的磁场，通常使用m来表示。（2）拍数：每个周期包含的通电状态数，或指电机转过一个步距角的脉冲需求量。（3）步距角：接收一个脉冲信号时，驱动电机转子转动的角位移用θ表示ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>桑占良</Author><Year>2021</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>桑占良</author></authors></contributors><auth-address>中车青岛四方机车车辆股份有限公司;</auth-address><titles><title>步进电机精确控制系统设计</title><secondary-title>科技与创新</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技与创新</full-title></periodical><pages>39-41</pages><number>02</number><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>开环控制</keyword><keyword>闭环控制</keyword><keyword>步进电机控制系统</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>2095-6835</isbn><call-num>14-1369/N</call-num><urls></urls><electronic-resource-num>10.15913/ki.kjycx.2021.02.012</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[14]。θ其中N为一个周期的运行拍数，Zr（4）转速：n（r/min）n=（5）定位转矩：电动机不工作时，电动机的转子所产生的闭合扭矩（由于磁场齿的共振和机械误差造成）。（6）静转矩：当电机在额定静止电压下不做转动时，其转轴的闭合扭矩。该扭矩是一种测量电机体积的指标，它不依赖与驱动电压和功率，所以应当采用规定的励磁线圈个数和合适大小的气隙，盲目地增加励磁匝数和不科学的减小气隙来提高静力矩是不可取的，否则会造成电机的发热并产生机械噪音。2.242步进电机的工作原理由于双极性步进电机没有公共端，且线圈中的电流方向也是可以改变的，因此需要每次控制两个端口。假设两相绕组为A+相、B+相、A-相、B-相，在电流作用下，定子励磁后，根据楞次定律产生N极和S极两个磁极。在磁场作用下，转子被磁场力推动，转子磁极需要寻找到新的受力平衡点，从而绕着转轴进行转动。每一次输入脉冲，转子就旋转一个步距角，连续地输入脉冲，电机就能实现连续转动了。（1）单相整步驱动方式。A相与B相中同时只励磁一个相。某一时刻，当励磁电流由A+相流向A-相时，由右手定则得A+定子靠近中心端为S极，A-定子靠近中心端为N极，转子同时受两个磁极的作用，使得转子N极转向A+端，转子S极转向A-端，下一时刻，B相绕组通电，A相绕组断电，励磁电流从B+端流向B-端，同理由右手定则得B+定子靠近中心端为N极，B-定子靠近中心端为S极，转子被定子吸引，转子朝A+到B+方向转动了一个齿距，通电次序为A+→A-，B+→B-，A-→A+，B-→B+，完成一个工作周期，如图2-2所示，每改变一次通电转子转动一个齿距。图2-2步进电机单相整步驱动原理图（2）两相整步驱动方式。某一时刻，将A+B+都接正极，A-B-都接负极，励磁电流分别由A+→A-和B+→B-，由右手定则得A+定子靠近中心端为S极，A-定子靠近中心端为N极，B+定子靠近中心端为S极，B-定子靠近中心端为N极，此时转子所受磁力为两个转子产生磁力的矢量和，使转子的N极指向A+与B+之间，转子的S极指向A-与B-之间。下一时刻，励磁电流由A-→A+和B+→B-，由右手定则得A+定子靠近中心端为N极，A-定子靠近中心端为S极，B+定子靠近中心端为S极，B-定子靠近中心端为N极，此时转子N极转动到B+和A-之间，方向为B+与A-磁力的矢量和。通电次序为A+B+→A-B-，A-B+→A+B-，A-B-→A+B+,A+B-→A-B+,完成一个工作周期，如图2-2所示每改变一次通电转子转动一个齿距。图2-2步进电机双相整步驱动原理图（3）半步驱动。如图2-3所示双极性步进电机的半步驱动相当于将单相整步与相整步结合到一起，半步驱动的1、3、5、7拍相当于单相整步，而2、4、6、8拍相当于两相整步，每个工作状态转动半个齿距。图2-3步进电机半步驱动原理图2.342步进电机细分驱动原理上世纪70年代的时候就已经有人提出了细分驱动技术，步进电机的细分驱动是通过对电机励磁绕组电流的控制，使步进电机定子相邻励磁绕组的电流合成一个旋转的电流矢量，从而使得步进电机定子相邻励磁绕组的合成磁场成为按细分步距旋转的均匀磁场，带动转子转动，实现步进电机按细分后的步距角转动ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王晓峰</Author><Year>2020</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">23</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>王晓峰</author></authors><tertiary-authors><author>吕东澔,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>步进电机的精准控制</title></titles><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>DRV8825</keyword><keyword>梯型-S型控制算法</keyword><keyword>STM32F407</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><publisher>内蒙古科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><electronic-resource-num>10.27724/ki.gnmgk.2020.000344</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[15]。根据双极性步进电机的工作特点，步进电机本身的步距可以分为整步和半步两种，以本文使用的42步进电机为例，整步驱动是1.8°，半步驱动则是0.9°。将整步驱动时的各相电流按阶梯状n步增加，使合成的磁场矢量在空间上的任意位置处，实质上是减小了步距角。采用了细分控制后，步距角减小到整个步距角的1/n，从而提高步进电机的运行精度，使电机运行更加平稳。即使拥有一定的控制精度，但在常规使用中加上负载装置，由于各矢量合成的磁场强度可能会不同，导致转子的力矩也会大小不同，驱动负载精度就会有所下降。步进电机所产生的力矩的大小由推动转子转动的磁场力的大小决定，转子每次转动的角度也由转子磁极所受磁力的矢量方向决定，所以，要对步进电机实现细分控制，并且产生均匀的力矩，就要使得电机内部推动转子的磁场合力的数值量大小恒定，且磁场力的合力方向要在以转轴为中心向外辐射的方向均匀变化，这就需要对输入绕相线圈的电流进行精细化控制。2.4H桥双极性驱动在电子与电气技术先进发展的优势下，如今大部分步进电机都选用H桥双极性驱动。双极性驱动的优势在于高效率、变速高精度、动态工作效能好，另外也很重要的是它具备良好的中低频特性，使电机的输出力矩维持在稳定水平，还有益于驱动器的集成化设计，控制也十分利于实现。图2-4H桥电路原理图如图2-4所示，当MOS管Q1和Q4导通时，步进电机的两相绕组便与直流电源连接，向绕组中通入正向电流。当Q1和Q4截断时，电流不会马上将至零，此时的二极管D2与MOS管连通构成一个续流回路。相似的，当另一边对称的桥臂MOS管Q2和Q3导通时，步进电机的相绕组反向接上直流电源，向绕组中输入负向电流。当Q3截止时，二极管D4和MOS管Q2连通构成续流回路。通过H桥双极性驱动的方法可以知道，H桥中MOS管的导通与截止可以改变通过步进电机绕组相的电流方向，而MOS管的导通与截止的间隔时间可以决定导通电流的大小ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>董馨雨</Author><Year>2021</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">17</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>董馨雨</author></authors><tertiary-authors><author>崔皆凡,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>两相混合式步进电机高精度闭环驱动控制系统及实验研究</title></titles><keywords><keyword>两相混合式步进电机</keyword><keyword>自适应神经模糊推理系统</keyword><keyword>闭环控制</keyword><keyword>STM32</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><publisher>沈阳工业大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><electronic-resource-num>10.27322/ki.gsgyu.2021.000076</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[16]。3基于PID的闭环控制3.1PID控制理论PID即Proportional、Integral、Differential的缩写，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，PID算法是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法。（1）PID算法连续公式：uKP为比例增益，KPTt为积分时间常数TDutet为给定值r（2）PID算法的一般形式：图3-1PID控制流程图通过图3-2所示不难看出，PID控制本质上是一个对真实值和理想计算结果的偏差进行控制；若真实值与计算值偏离为0，比例系数与偏差的乘积也为0，比例控制环节不起作用，也就不需要进行调制控制了，而积分部分则是用于排除静态错误，所谓静态错误，就是系统稳定后的输出与设置的差异，这种静态错误是无法被平衡的，必须添加一个积分环节来调整；积分环节本质上就是一个偏差累积的程序，将累积的错误加到原来的体系上，以此来弥补系统带来的静态错误。3.1.1位置式PID算法PID算法的离散公式：u对于计算机来说，连续的公式比较难处理，所以需要对连续的PID公式进行离散化处理：假设采集数据的时间间隔为T，则在kT时刻有：误差值eke积分环节所有的误差和，则有：e微分环节为第k时刻误差的变化率，则有：e结合公式（3.3）、公式（3.4）、公式（3.5）代入到公式（3.1）中可得公式（3.2），其中Ki=KpTTi，Kd=比例项（P），由比例系数与误差值的算术乘积构成，输出中加上误差的比例成分，减小了与设定值之间的差距，输入与输出之间只要存在偏差值，就立即产生控制作用来减小产生的误差，由此误差将越来越小。积分项（I），比例项并不能完全解决控制问题，某些情况下经过比例控制后偏差值没有发生改变，这就会导致系统产生静态误差，使得系统一直达不到期望的输出值，为防止比例环节后造成静态误差，加入积分环节，加入累计误差的值来调节系统的输出，消除静态误差来提高系统输出的准确度。微分项（D），微分环节的作用是反应系统偏差值的整个变化趋势，可以提前引入一个修正信号来消除将要产生的误差。3.1.2增量式PID根据前面的位置公式（2），将k-1代入到公式（2）中得：u由：∆u得：∆u由公式（5）可知，增量式PID的输出与第三次的偏差有很大的关系；公式（5）推倒的为上一次的调节量，也就是说当前的输出，等于上一次的误差与本次增加的调节量之和，公式如下：u3.1.2位置式PID与增量式PID对比增量式算法无需累计积分项，且仅与最近的误差相关，且运算错误对其运算的作用不大，而位置法则要求对最近发生的数据进行积分性累积，容易导致累积错误大。在PID控制中，PID要求有积分和输出限制，而增量式PID仅要求输入限制，因而更适用于步进电机等设备的控制。而增量式适用于诸如液压阀门之类的非集成元件。（1）位置PID优缺点优点：位置式PID是一种非递推式算法，它能对诸如平衡车之类的执行器进行直接的控制，其数值与所述执行器的实际位置（例如，电机转子的当前角位置）——对应，因此在执行机构不带积分部件的对象中可以很好应用；缺点：每一次的输入都涉及到以前的状态，需要对错误进行累计，因此需要大量的时间和算力。（2）增量式PID优缺点优点：增量式PID控制算法的步进电机闭环控制系统具备响应速度快、抗干扰能力强、控制精度高、运行稳定等优点，同时经济性、交互性和直观性效果均良好ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>许洋</Author><Year>2022</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">1</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>许洋</author><author>周奎</author><author>杨亚会</author><author>杨倩</author><author>向婧燕</author></authors></contributors><auth-address>湖北汽车工业学院;</auth-address><titles><title>基于增量式PID的步进电机速度控制系统设计</title><secondary-title>科技与创新</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技与创新</full-title></periodical><pages>172-175+178</pages><number>01</number><keywords><keyword>步进电机</keyword><keyword>闭环控制系统</keyword><keyword>MCS51</keyword><keyword>增量式PID</keyword></keywords><dates><year>2022</year></dates><isbn>2095-6835</isbn><call-num>14-1369/N</call-num><urls></urls><electronic-resource-num>10.15913/ki.kjycx.2022.01.053</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[18]。存有操作失误时反馈造成危害较小，必需时可根据逻辑推理去除不正确数据信息。手动/自动切换时产生的冲击小，有利于实现无扰动切换。算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近几次的采样值有关，在速度闭环控制中有很好出色的表现。缺点：积分截断效应大，有稳态误差；溢出的影响大。有的被控对象的情况下用增量式控制则效果不太好。3.2PID控制算法的MATLAB仿真及参数整定3.2.1PID控制算法的MATLAB仿真为了确定PID控制算法对输出控制的可行性与分析PID控制算法的工作性能，在MATLAB的Simulink环境进行仿真，分析在不同控制项下的控制效果，以及凸显各控制项的作用。（1）实验模型设计控制系统框图如图3-2所示图3-2控制系统框图控制器：G执行器：G被控对象：G测量变送器：G系统开环传递函数：G图3-3simulink仿真框图如图3-3所示，首先在simulink中搭建一个PID控制系统，为了方便作对比，一共设置了三组控制系统。每个仿真系统中，需要一个恒定的信号发生器，发生信号值设置为100，作为期望输出值；信号发生器之后是一个加法器，用于期望输出信号与控制后的信号进行叠加；加法器之后连接控制器，控制器的控制界面如下图3-4所示，PID控制器可以分别设定比例项系数、积分项系数以及微分项系数，调整各系数的值，从而达到不同的控制效果。被控系统输出后的值再与期望值做差得出误差量，误差量进入PID控制器参与控制的调节。图3-4PID控制器设置界面PID控制器后面连接被控对象，被控对象由一个传递函数构成，传递函数模块的参数设置如下图所3-5所示图3-5传递函数参数设置界面（2）比例控制（P）仿真图3-6比例控制仿真曲线图根据多组实验结果显示，一般情况下，增大比例系数可以加快系统的响应，如图3-6示Kp过小时可能无法消除误差，形成静态误差，随着Kp的增大，静态误差逐渐消失直至没有，提前预调量逐渐变大，若Kp过大会出现系统输出波动（3）比例积分控制（PI）仿真分析图3-7比例-积分仿真曲线图上图3-7为比例积分的仿真曲线图，在实际的定高的情况下是需要精确定高的，需要消除静态误差，也就需要增加积分控制项，采取PI控制，在此组实验