煤矿机械CoalMineMachineryVol.35No.03Mar.2014第35卷第03期2014年03月0引言在传统的步进电机闭环控制中，控制器常采用的算法为PID或模糊控制方法。由步进电机组成的闭环控制系统存在着非线性、时变、干扰等特性，随着环境的变化对象的参数甚至结构都会发生变化。单独采用PID或模糊控制算法，很难获得理想的控制效果。因此，结合2种算法的优点，组成模糊PID控制算法。空间电压矢量脉宽调制方法以电动机定子的理想磁链圆为基准，由逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。与传统电压正弦PWM相比，具有电机转矩脉动降低、电流波形畸变减小和直流电压利用率提高的优点。因此，本文结合模糊PID算法、SVPWM控制方法和矢量转换技术，建立一种响应速度快、控制精度高的步进电机闭环控制系统，并结合MATLAB强大的仿真功能，对建立的控制系统进行验证。1模糊PID模块的建立模糊PID模块采用的是模糊参数自适应PID控制。该控制方法是以模糊规则实时调节PID参数的一种自适应控制策略方法，模糊规则给出的是在不同实时状态下对PID参数的推理结果。在模糊控制器中，将偏差与偏差变化率作为其输入量，然后再对其进行模糊化处理，并按照电机特点设定的模糊控制规则进行模糊决策处理，最后再经解模糊处理和比例变换，得到PID控制器的相关参量，从而获得模糊PID控制器的输出参量。在MATLAB/Simulink中，模糊PID仿真模型如图1所示。图1模糊PID仿真模型2SVPWM模块的建立在SVPWM控制模块中，当获得电机控制系统的两相电压空间矢量给定值后，就可以知道其给定电压空间矢量所在的扇区，并依据式（1）求出在一个载波周期里4个基本空间矢量的导通时间，从而实现PWM波的发生。其中，两相步进电机基本电压空间矢量的作用时间为t10=Ts22姨U2姨Usinθ+cosθ+|U*姨姨|cosθt20=Ts22姨U2姨Usinθ+cosθ+|U*姨姨|sinθt11=Ts22姨U2姨Usinθ+cosθ-|U*姨姨|cosθt21=Ts22姨U2姨Usinθ+cosθ-|U*姨姨|sin姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨θ（1）在MATLAB中建模，扇区选择如图2所示,通断时间计算仿真模块如图3所示，不同扇区的通断时间选择如表1所示，脉冲波产生模块如图4所示，SVPWM仿真模块如图5所示。基于Matlab的步进电机闭环建模与仿真陈翔，崔志琴，徐兆华（中北大学机电工程学院，太原030051）摘要：通过综合运用模糊PID控制算法、空间电压矢量脉宽调制方法（SVPWM）与矢量转换技术，搭建了一种包括速度闭环与电流矢量闭环的二相混合步进电机双闭环的控制系统，并借助于MATLAB/Simulink强大的建模仿真功能，对步进电机双闭环控制系统进行了仿真分析。相关仿真结果表明，该控制系统具有较好的控制性能与动态响应能力。关键词：模糊PID；SVPWM；步进电机；闭环仿真中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1003－0794（2014）03－0035－02Closed-LoopModelingandSimulationofStepperMotorBasedonMatlabCHENXiang，CUIZhi-qin，XUZhao-hua(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract:Acontrolsystemofdoubleclosed-loopfortwo-phasehybridsteppermotorwhichincludingspeedclosed-loopandcurrentclosed-loopisestablishedbasedonfuzzy-PIDcontrolalgorithm,spacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)methodandspacevectorconversion,andtheperformanceofthedoubledclosed-loopcontrolsystemofsteppermotorisanalyzedbythepowerfulmodellingandsimulationfunctionofMATLAB/Simulink.Thesimulationresultsshowthatthecontrolsystemhasfavorablecontrolperformanceanddynamicscharacteristic.Keywords:fuzzy-PID；SVPWM；steppermotor；closed-LoopsimulationOutAdd1Product2+×-k-Gain4FuzzyLogicControllerDerivative120du/dt++××-k--k-Gain3Gain5Gain1Gain2101EProduct11s1Integrator1Product3doi:10.13436/j.mkjx.20140301635

表1通断时间选择图2扇区选择图3通断时间计算图4脉冲波产生模块图5SVPWM仿真模块3步进电机闭环模型在建立的步进电机闭环控制系统中，主要包含2个闭环：速度闭环和电流矢量闭环；2个控制器：速度控制器和电流矢量控制器；2次矢量转换：电流矢量转换和电压矢量反转换；1个两相混合步进电机。在速度闭环中，将速度给定值与闭环系统速度反馈值相比较，经速度控制器进行相关计算与转化，得到电流给定值。由于混合式步进电机气隙很小，磁阻效应对电机出力发挥较大作用，同时，为充分利用混合式步进电机的磁阻转矩，在相应的转速范围内依照最大转矩/电流曲线对其作最大转矩/电流控制是较为理想的控制策略。因此，在电流闭环中，将在速度控制器中得到的电流给定值采取最大转矩/电流控制的控制策略，并与反馈电流的矢量形式进行比较，经电流控制器进行相关计算与转化，并经过电压矢量反转换与SVPWM技术，对两相混合步进电机进行控制，从而实现步进电机的闭环控制。在MATLAB/Simulink模块中，建立模糊PID仿真模块、SVPWM仿真模块、矢量转换仿真模块，并结合MATLAB自带电机系统，建立步进电机闭环控制仿真系统。步进电机闭环控制仿真系统如图6所示。图6步进闭环仿真控制系统在步进闭环控制仿真系统中，相关参数设置如下：二相混合步进电机的电感为0.0014H、绕组电阻为0.7Ω、步进角度为1.8°、最大磁链为0.005Wb、最大启动转矩为0.002Nm、总惯量为1.2e-7kg·m2、开始速度设为1000r/min。在开始时施加的负载为0，直到0.05s时，施加一个负载转矩1Nm，驱动电压为28V。经仿真系统运算，步进电机闭环系统的转矩与转速仿真结果如图7所示。图7转矩与转速的仿真结果步进电机闭环仿真系统的相关仿真结果表明，该控制系统具有较好的控制性能与动态响应能力。虽然在开始阶段转矩与速度有一定的波动，但是能很快地趋于稳定状态。在0.05s施加负载扰动后，系统也能较快地稳定下来。4结语通过MATLAB强大的仿真功能，结合模糊PID技术、SVPWM技术和矢量转换技术，建立了步进电机闭环控制系统，并进行了相应的仿真验证。相关仿真结果表明，该系统具有较好的控制性能与动态响应能力。参考文献：［1］刘川，刘景林.基于Simulink仿真的步进电机闭环控制系统分析［J］.测控技术，2009，28（1）：44-49.［2］段英红，杨硕.步进电动机的模糊PID控制［J］.计算机仿真，2006，23（2）：290-293.［3］马祥.三相混合式步进电机伺服控制系统的研究与开发［D］.重庆：重庆大学，2008.［4］王晓丹，周国荣.模糊PID控制的步进电机细分驱动器设计［J］.自动化与仪表，2008（4）：35-38.［5］张小杭.基于DSP的两相混合式步进电机细分控制及转矩矢量控制［D］.杭州：浙江工业大学，2004.［6］何顺义.全数字两相混合式步进电机驱动器的研制［D］.长沙：中南大学，2008.作者简介：陈翔（1985-），江西高安人，在读硕士研究生，从事机动武器系统工程中的结构动态优化设计、振动控制及测试技术研究，电子信箱：gaoan985@163.com．责任编辑：卢盛春收稿日期：2013－10－24Vsa1100Vsb1010N1243t10ACACt20BBDDt21CACAt11DDBB第35卷第03期Vol.35No.03基于Matlab的步进电机闭环建模与仿真———陈翔，等1Constant1VsaVsb20Constant1Constant2Constant7Constant6×123ScopeNSwitchSubuact24Switch1ProductConstant3Constant4Subuact1112341MultiportSwitchN1A2B3C4D5t114t213t202t1011234123412341234MultiportSwitch1MultiportSwitchMultiportSwitch2MultiportSwitch3RepeatingSequence11t102t203t214t11+-Subtract1+-+-+-SubtractSubtract2Subtract3Relay3Relay1booleanNOTdoublepwm11pwm22pwm33pwm44doublebooleanNOTDataTypeconversion1RelayRelay2DataTypeconversion5LogiclOperatorDataTypeconversion2DataTypeconversion6LogiclOperator2pwm66doublebooleanNOTpwm55DataTypeconversion3DataTypeconversion7LogiclOperator3pwm88doublebooleanNOTDataTypeconversion4DataTypeconversion8LogiclOperator4pwm77VsaVsb1Vsa2Vsb28Constant1-C-Constant3thetasin[u（1）]cos[u（1）]FcnSubsystem2Fcn1Fcn5Fcn4Fcn3Fcn2Subsystem3f（u）f（u）f（u）f（u）SubsystemOut1NABDCt10t20t21t11t10t20t21t11pwm1pwm2pwm3pwm4pwm5pwm6pwm7pwm8Scope2UAUB1Scope1Step1-+EOutFuzzyPIDSubsystemlsldlqFuzzyPID2Vecorization-k-GainHybridStepperMotor-k-ldlqTLA+A-B+B-ScopeTransformationiA-+E1Out1FuzzyPID1E2Out2VsdVsqthetaVsaVsbVsaVsbu2u1u2u1Step2A+A-B+B-SVPWMQudongiBtheta-+210-1-2140012001000800600Voltageconverting转矩/Nm转速/r·min-136