一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法

1.本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法。


背景技术：

2.由于步进电机的控制结构及运行特点，其在整步驱动控制时步距角较大、转速不够平稳，容易产生振动，振荡严重时会失步、走步轻重不一，从而带来噪音对系统造成不利影响。目前大部分控制为利用不同控制方法对电机的电流转速双闭环控制来降低转矩波动大小，如：空间矢量脉宽调制、直接转矩控制、模糊pi控制、电流预测控制、自抗扰控制等。但很少有从电机底层出发，对电机续流模式进行优化控制来达到减小电机转矩脉动的目的。
3.快速续流与缓慢续流通过控制h桥中各功率mos开关管的导通与关断控制端电压，从而控制步进电机的绕组电流，利用不同斩波方式提出快速续流、缓慢续流及给定信号的上升沿采用缓慢续流，下降沿则采用快续流得混合续流，将快速续流及缓慢续流按照固定百分比应用在每一微步中，但是此百分比取决于电源电压、电机特性、工作电流、电机转速、反向电动势等，这些参数会变化，这对调节续流模式产生困难。
4.自抗扰控制法所用的自抗扰控制器(active disturbance rejection control，adrc)中的微分器环节和扩张状态观测器环节计算复杂，会使系统延迟跟踪，其性能取决于控制器内部参数，如何整定众多参数使控制器达到最优状态，是adrc的一大问题。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，克服adrc控制算法参数众多难以调节的问题，具有噪声小以及转矩脉动小的特点。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.构建自抗扰控制器：自抗扰控制器包括扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制率；
8.对扩张状态观测器的校正增益进行整定和调节，得到优化后校正增益；
9.采集步进电机实际a相电流ia和b相电流ib；将环型分配器输出电流作为给定电流i
ref
与ia、ib分别做差作为自抗扰控制器的输入；
10.根据自抗扰控制器输出，利用有限状态机选择发波形式，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。
11.进一步的，扩张状态观测器的数学模型为：
[0012][0013]
其中，e为非线性函数误差，y(k)为系统输出值，β1，β2，β3为扩张状态观测器的校正增益；z1(k)为第k个周期输出信号y的跟踪信号；z1(k+1)为第k+1个周期输出信号y的跟踪信号；t为执行频率的倒数；z2(k)为第k个周期输出信号y的微分跟踪信号；z2(k+1)为第k+1个周期输出信号y的微分跟踪信号；z3(k)为第k个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；z3(k+1)为第k+1个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；fal(e,α1,δ)为非线性函数；α1，α2为非线性因子；e为非线性函数误差；α1，α2为e的指数；b为补偿因子；u为非线性状态误差反馈的输出量；δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。
[0014]
进一步的，一阶系统的非线性状态误差反馈控制率数学模型为：
[0015][0016]
其中，v1为adrc输入信号的快速跟踪信号，z1为输出信号y的跟踪信号；u0为非线性状态误差反馈控制率输出；β1，δ，α分别为可调参数、滤波因子及非线性因子nlsef中的可调参数，e为非线性函数误差，fal(e,α,δ)为非线性函数。
[0017]
进一步的，fal(e,α,δ)为表达式为：
[0018][0019]
其中，e为非线性函数误差，δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。
[0020]
进一步的，构建优化后的自抗扰控制器的过程为：将系统给定电流当做td环节输出，使用扩张状态观测器计算，用实际电流代替扩张状态观测器,仅使用观测器中的最主要部分对系统扰动量进行观测，将非线性状态误差反馈控制率的输入作为算法的输入，运用粒子群算法规则，在线实时地计算出所需的校正增益，以满足不同时刻的自抗扰参数自整定的要求。
[0021]
进一步的，自抗扰控制器完整形式为：
[0022][0023]
其中，n
ref
为参考转速；v为跟踪微分器输出；跟踪微分器输出e1为n
ref
与n之差；e2为
e1积分；控制量u由z2前馈补偿后得到；z1(t+1)为第t+1个周期输出信号的跟踪信号；z1(t)为张状态观测器跟踪信号；h为执行频率的倒数；z2(t)为对系统扰动量的估计值；β1、β2为校正增益；z2(t+1)为第t+1个周期作用于系统的所有不确定扰动的总和；n为实际转速；u0为非线性状态误差反馈控制率输出；fal1、fal2为非线性函数；b0为扰动补偿系数。
[0024]
进一步的，用粒子群算法对扩张状态观测器中的校正增益大小进行整定和调节。
[0025]
进一步的，用粒子群算法对自抗扰控制器中扩张状态观测器中的校正增益β1、β2大小进行整定和调节，包括以下步骤：
[0026]
s1，进行初始化，设定扩张状态观测器的2个校正增益β1、β2，产生粒子群的初始位置和速度；
[0027]
s2，进行个体评价，由适应度函数求出种群中所有粒子的适应度值；
[0028]
s3，得出粒子的新位置和速度：根据粒子的适应度与粒子群个体最优解p
best
和全局最优解g
best
进行比较，得到粒子的最新速度与位置；
[0029]
s4，求得最优解，当满足条件时，输出全局的最优解β1、β2，并带入到扩张状态观测器中，若不满足条件则转至s2。
[0030]
进一步的，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包括：
[0031]
在一个pwm的最小开通时间t
drive
后开始对步进电机a相电流ia和b相电流ib进行采样，有限状态机动作执行：
[0032]
若电流低于给定电流，pwm保持开通，直至电流升至给定电流，然后进行时长为t
off
的缓慢续流；
[0033]
若电流高于给定电流，进入快速续流模式，运行时长t
fast
，时间长度由超调量决定，即通过改变快速续流在固定关断时间中的百分比来提高响应速度，最大程度地减小电流纹波。
[0034]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
[0035]
由于adrc具有较多的控制参数需要调节，且调节过程复杂繁琐，因而需要更强大的计算能力。而控制器运算能力不足会使系统延迟跟踪，同时拉低电机的响应速度，在低成本步进电机应用领域的适用性较差，所以对控制器进行优化，本发明提供的方法取消adrc的跟踪-微分器环节，将扩张观测器输出量用电机实际电流代替，状态观测器用于得到对扰动项的估测量，并利用粒子群算法对非线性组合中的校正增益大小进行整定和调节，降低算法的计算复杂程度，提高系统响应速度。
[0036]
因快速续流模式下易造成较大的电流纹波，增加电机运行的噪声和振动，缓慢续流模式响应时间长，导致在电流下降段容易发生实际电流跟踪不上期望的电流正弦波，影响电机控制的效果。本发明利用有限状态机对每一个pwm周期内固定续流时间中快速续流的百分比进行优化，使电流下降的速度高于缓慢续流低于快速续流，电流纹波介于二者之间，使电机相电流正弦度更高，运行更加平稳，转矩脉动更小、噪声小。与现有技术相比，本发明鲁棒性和抗干扰性强，电机控制更加平稳，转矩脉动更小。adrc具有抗干扰能力强，可靠性高的特点。
附图说明
[0037]
图1为本发明提供的快速续流电流流经途径。
[0038]
图2为本发明提供的缓慢续流电流流经途径。
[0039]
图3为本发明提供的粒子群算法流程图。
[0040]
图4为本发明提供的改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制框图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
参照图4，控制系统为实现电机细分控制的环形分配器输出电流的参考值i
ref
，与电流反馈值ia或ib做差输入adrc控制器，利用有限状态机得到快速续流的比例产生pwm波控制h桥驱动电机，以快速准确地跟踪目标电流的变化。
[0044]
所述方法具体包括以下步骤：
[0045]
步骤1，采集步进电机实际a相电流ia、b相电流ib；
[0046]
步骤2，将环型分配器输出电流作为给定电流i
ref
与ia、ib分别做差，得到差值；
[0047]
步骤3，将步骤2获得的差值送入adrc控制器，经过adrc控制器输出调制波pwm，设计adrc控制器，过程如下；
[0048]
adrc控制器由跟踪-微分器(td)、扩张状态观测器(eso)以及非线性状态误差反馈控制率(nlsef)组成。
[0049]
td用于安排过渡过程，协调控制器快速性与超调之间的矛盾，通过对期望信号及其微分信号进行信号跟踪建立过渡过程，td的数学模型为：
[0050][0051]
其中，v1为adrc输入信号的快速跟踪信号，v1(k)是第k个周期实际输入跟踪值；v2为对v1以积分方式合理提取的微分信息；t为跟踪微分器的采样周期；r为跟踪速度因子，r越大，对原信号的跟踪速度越快；h为滤波因子。其中，r的大小决定跟踪速度快慢。滤波因子h与采样周期相关联，对控制过程中的噪声进行过滤。
[0052]
eso的数学模型为：
[0053][0054]
其中，β1，β2，β3为扩张状态观测器的校正增益；z1为输出信号y的跟踪信号；z2为输出信号y的微分跟踪信号；z3为作用于系统的所有不确定扰动的总和；fal(e,α1,δ)为非线性函数；α1，α2为非线性因子；e为非线性函数误差；α1，α2为e的指数；b为补偿因子；u为非线性状态误差反馈的输出量；δ为非线性函数误差定义域的区域宽度。
[0055]
一阶系统的nlsef数学模型为：
[0056][0057]
其中β1为eso中的校正增益，δ1为滤波因子，α3为非线性因子。
[0058]
非线性函数fal(e,α,δ)表达式定义为：
[0059][0060]
adrc中的td和eso计算复杂，会使系统延迟跟踪，所以取消adrc的td环节，直接将被控系统给定电流当做td环节输出，用实际电流代替eso输出z1，仅使用eso中最主要部分对系统扰动量进行观测，将nlsef的输入e1，e2作为粒子群算法的输入，运用粒子群算法规则，在线实时地计算出所需的参数β1、β2，以满足不同时刻的自抗扰参数自整定的要求。因此改善步进电机续流模式的状态观测反馈控制框图如图4所示。改进的控制器完整数学模型为：
[0061][0062]
其中n
ref
为参考转速；v为跟踪微分器输出；跟踪微分器输出e1为n
ref
与n之差；e2为e1积分；控制量u由z2前馈补偿后得到。
[0063]
如图3为粒子群算法流程图，将利用粒子群算法对adrc中eso中的校正增益β1、β2大小进行整定和调节，具体按照一下步骤实施：
[0064]
s1，进行初始化，设定eso的2个校正增益β1、β2，产生粒子群的初始位置和速度，设定约束条件，粒子的位置与速度分别限制在区间[x
min
，x
max
]、[v
min
，v
max
]之内；
[0065]
s2，进行个体评价，由适应度函数求出种群中所有粒子的适应度值，使适应度函数值最小时对应的参数即为最优控制器参数，适应度函数如下式所示：
[0066][0067]
式中，e1,e2为瞬时误差，ω1、ω2、ω3为权重，ω3》》ω1，一般情况下ω1＝0.999，ω2＝0.999，ω3＝100；
[0068]
s3，得出粒子的新位置和速度。将粒子的适应度值present与粒子个体最优解p
best
的适应度值进行比较，如果优于p
best
则对p
best
进行更新；将粒子的适应度值present与全局最优解g
best
的适应度值进行比较，如果优于g
best
则对g
best
进行更新，速度与位置更新公式如下：
[0069]
vi(t+1)＝ωvi(t)+c1r1(p
best-xi(t))+c2r2(p
best-xi(t))
[0070]
xi(t+1)＝xi(t)+vi(t)
[0071]
式中，vi(t)为粒子当前的速度，vi(t+1)为更新的粒子速度，xi(t)为当前粒子位置，xi(t+1)为最新粒子位置；ω为惯性权重，用来权衡局部最优和全局最优，γ1,γ2为0到1的随机数字，c1为局部学习因子，c2为全局学习因子；
[0072]
s4，在满足约束条件下，求得最优解，输出全局的最优解β1、β2，并带入到eso中，若不满足条件则转至s2。
[0073]
步骤4，如图1、图2为快速续流电流流经途径和缓慢续流电流流经途径。根据自抗扰控制器输出，利用有限状态机选择合适的发波发波形式，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。
[0074]
对于两相步进电机，驱动的方式常为8只mos管组成的2对h桥。
[0075]
若电流低于给定电流，pwm保持开通，直至电流升至给定电流，然后进行时长为t
off
的缓慢续流；若电流高于给定电流，进入快速续流模式，运行时长t
fast
，时间长度由超调量决定，即通过改变快速续流与缓慢续流在每个pwm周期中的百分比，最大程度地减小电流纹波。
[0076]
快速续流模式是指在全部mos管关断时，电流从mos管寄生二极管导通流经电机绕组，并迅速减小直至达零或下一个pwm周期；缓慢续流则是关断高压侧的mos管，同时开通2只低压侧mos管，电流从2只mos管流过电机绕组。
[0077]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。