步进驱动系统的闭环适应性模糊控制

　　l引 言

　　步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机电元件，具有成本低、控制特性好等优点，已广泛用于数控机床、自动化仪表等设备中的位置驱动系统。如在我国目前生产的数控系统中，有近百分之80是以步进电机作为伺服单元。但步进电机也存在着很大的缺陷，在速度较高或加速度较大时易出现失步现象，这样其控制的机械部件运动精度就很低。因此，提高步进驱动系统的精度和可靠性，已经成为必须解决的一个关键问题。在这方面，目前国内外作了大量的研究，如步进电机的最优升、降频特性研究、细分步控制技术研究等。本文探讨模糊控制理论用于步进电机闭环控制技术的研究，并成功地应用到雷达罩天线座跟踪测量仪控制系统中，既提高了伺服跟踪精度和跟踪实时性，又有效地避免了系统的振荡。

　　2步进伺服驱动系统的误差恃性和控制方法

　　2·1 步进电机伺服驱动系统的误差特性

　　常规开环步进电机伺服系统精度低的原因主要由以下几个方面的误差因素造成的：

　　(1)对于步进电机，因工艺制造等方面的原因，其步距角不可能做得太小，定子、转子各齿距间存在制造误差，齿距不均，造成其运动具有步进感，产生振荡，各步距间存在步距误差。

　　(2)由于一般步进电机的功率较小，步进伺服系统中一般都含有如齿轮副、丝杠螺母副等传动副，它们间存在间隙，致使运动部件位移同指令值之间出现多值非线性关系。

　　(3)系统传动链中各传动元件的制造误差和磨损等造成传动误差，并随位移非线性变化。

　　(4)伺服系统中各传动元件的刚性不足，在载荷作用下产生弹性变形和塑性变形，且载荷不同，变形量不同，从而造成进给脉冲被“吃掉”的现象，严重时甚至出现爬行，使得输入输出之间也呈现非线性关系。

　　可见，各种非线性误差因素的影响，必然使执行机构实际位移偏离指令值，出现偏差，且呈现较强的非线性和不确定性特性。

　　2.2 闭环控制方法的确定

　　现代控制理论发展迅速，控制方法很多，应采用方案简单且控制效果又最佳的方法设计闭环控制系统，由于作为被控对象的步进电机伺服系统，具有较强的误差非线性和不确定性，如雷达罩天线座跟踪测量仪，在跟踪目标时，因室外风载荷影响而具有不确定性，致使输入输出的关系很难用一个数学函数式准确表达，因此很难求取用于这种场合下的精确的步进驱动系统的数学模型。这样，依据常规的控制理论和方法设计闭环控制器，其控制效果显然不佳，甚至不能满足要求。针对这种具有多种模糊性因素影响的被控制对象，进行有效控制的最好的方法就是采用模糊控制理论[1]。模糊控制论的崛起为这些问题的解决开辟了新的途径。近年，基于人工智能和神经网络的现代模糊控制理论已成为解决复杂、随机、不确定、时变系统控制的强有力的数学工具。