一种基于模糊PID电流环控制的步进电机驱动器

技术领域

本发明涉及电机驱动器领域，具体涉及一种基于模糊PID电流环控制的步进电机驱动器。

背景技术

传统PID控制是以精确数学模型为基础的，无法有效应对系统的不确定信息，用不变的PID参数不可能达到较好的控制结果。模糊控制不需要对象的精确数学模型，对系统变化不敏感，鲁棒性好，抗干扰性强。但是由于它的模糊性，稳态精度不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模糊PID电流环控制的步进电机驱动器。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于模糊PID电流环控制的步进电机驱动器，包括以下控制步骤：

S1：确定模糊控制器输入变量和输出变量，以及输入变量的变化范围；

其中输入变量包括偏差E、偏差变化率EC；

S2：通过整定确定模糊控制的量化等级、量化因子和比例因子；

S3：得出模糊控制表：根据输入值和输出值分别得出比例系数Kp、积分时间常数Ki、微分时间常数Kd的模糊控制表；

S4：计算模糊PID控制输出值：将偏差E和偏差变化率EC代入模糊控制表中，得出模糊PID参数Kp’、Ki’、Kd’，再将Kp’、Ki’、Kd’代入PID算法中计算出模糊PID控制输出值：

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，E(k)和E(k-1)分别为第k和第k-1时刻的偏差信号，k为采样序号，T为采样时间。

优选的，所述步骤S2包括以下整定子步骤：

S21：通过隶属度确定偏差E、偏差变化率EC的模糊子集；

S22：引入偏差E、偏差变化率EC的模糊子集对应的论域；

S23：得出量化函数。

本发明的有益效果集中体现在：本发明能有效解决步进电机电流控制系统存在的非线性、干扰等特性，可以实现随环境的变化，参数自动改变，以达到更好的控制效果。其次，驱动器运行平稳，电流波形稳定，驱动器定位准确，有效地节约了各项生产成本。

附图说明

图1是本发明控制流程图；

图2是本发明控制系统框图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种基于模糊PID电流环控制的步进电机驱动器，包括以下控制步骤：

S1：确定模糊控制器输入变量和输出变量，以及输入变量的变化范围；

其中输入变量包括偏差E、偏差变化率EC，以及电机的输入电流和细分数，电机整定的比例、积分、微分；而输入电流和细分数由拨码开关确定，也就是说拨码开关可以用来调节驱动器的输入电流值；比例、积分、微分由确定的基础值开始基于设定值变化；

S2：通过整定确定模糊控制的量化等级、量化因子和比例因子；

具体的，步骤S2包括以下整定子步骤：

S21：通过隶属度确定偏差E、偏差变化率EC的模糊子集，在此偏差E、偏差变化率EC的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中，负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]；

隶属度是一个介于0和1之间的值，隶属度具有以下关系：

1.当某一元素u属于集合A时，就说该元素隶属度为1；

2.当某一元素u不属于集合A时，就说该元素隶属度为0；

3.当某一元素u部分属于集合A，部分不属于集合A时，就说该元素u对于A的隶属度是在开区间(0,1)中的某个数；

S22：引入偏差E、偏差变化率EC的模糊子集对应的论域，论域的范围由各种类型的电机的电阻和电感组成，在本实施例中论域的定义为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

S23：得出偏差E、偏差变化率EC的量化函数：在图2中电流的测量信号有一个量程范围，记为Vmax和Vmin，因此偏差E的范围就是Vmin-Vmax到Vmax-Vmin的范围内，而偏差的增量范围则是其两倍：

则偏差E量化函数为：

偏差变化率EC的量化函数为：

根据公式(1)和公式(2)可将E和EC量化。

式(3)中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，E(k)和E(k-1)分别为第k和第k-1时刻的偏差信号，k为采样序号，T为采样时间；

S3：得出模糊控制表：根据输入值和输出值分别得出比例系数Kp、积分时间常数Ki、微分时间常数Kd的模糊控制表；

在PID控制器中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度，减小稳态偏差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调，提高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。因此本实施例中定义Kp的模糊控制表如下：

Kp模糊控制表

在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态偏差。由于某些原因(如饱和非线性等)，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。

因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；

而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；

最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。

依据以上分析，因此本实施例中定义Ki模糊控制表如下：

Ki模糊控制表

微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡.最终改变系统的动态性能。

因此，Kd值的选取对调节动态特性影响很大。Kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；

而在中期，由于调节特性对Kd值的变化比较敏感，因此，Kd值应适当小一些并应保持固定不变；

然后在调节后期，Kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于Kd值较大所造成的调节过程的时间延长。

依据以上分析，因此本实施例中定义Kd模糊控制表如下：

Kd模糊控制表

S4：计算模糊PID控制输出值：将偏差E和偏差变化率EC代入模糊控制表中，得出模糊PID参数Kp’、Ki’、Kd’，再将Kp’、Ki’、Kd’代入PID算法中计算出模糊PID控制输出值；

如：设定的电流为C

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，E(k)和E(k-1)分别为第k和第k-1时刻的偏差信号，k为采样序号，T为采样时间。

本发明能有效解决步进电机电流控制系统存在的非线性、干扰等特性，可以实现随环境的变化，参数自动改变，以达到更好的控制效果。其次，驱动器运行平稳，电流波形稳定，驱动器定位准确，有效地节约了各项生产成本。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。