步進(jìn)電機(jī)控制方法與技術(shù)研究

劉海勇　趙星亮　高鵬

摘要 ：步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)快速發(fā)展的今天，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的需求越來(lái)越多，要求也越來(lái)越高，而對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)直接關(guān)系其應(yīng)用效果。本文簡(jiǎn)要介紹了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)類(lèi)型，細(xì)致分析了不同控制方式的特點(diǎn)與差異。

關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng) 控制方式

步進(jìn)電機(jī)基于電磁鐵原理，能夠接收數(shù)字控制信號(hào)，是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件，并可開(kāi)環(huán)位置控制。作為特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)必須借助專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)工作，作為可轉(zhuǎn)換電脈沖為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)控制性很好。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的控制模式已轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖，借助軟件來(lái)完成控制，使步進(jìn)電機(jī)的作用得到了更充分的發(fā)揮。

一、開(kāi)環(huán)控制技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)控制方式可以分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中半閉環(huán)控制系統(tǒng)通常歸類(lèi)于開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。其中開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，此種模式下按固定規(guī)律發(fā)出控制脈沖完成步進(jìn)電機(jī)的工作，其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、成本低，但由于負(fù)載位置對(duì)控制電路無(wú)反饋，要求步進(jìn)電機(jī)必須能夠正確響應(yīng)控制動(dòng)作，否則容易出現(xiàn)失步問(wèn)題。雖然依靠單片機(jī)和相關(guān)技術(shù)的革新，開(kāi)環(huán)控制方式已能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜控制脈沖序列的產(chǎn)生，但仍存在起動(dòng)受限、抗負(fù)載波動(dòng)能力差、存在震蕩區(qū)等問(wèn)題。開(kāi)環(huán)控制模式下，步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)需按一定規(guī)律逐漸升速，這需要在控制程序外添加起動(dòng)速度設(shè)定，在速率變化大的場(chǎng)合不適用。除此之外，若負(fù)載出現(xiàn)沖擊轉(zhuǎn)矩，有可能出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)問(wèn)題，因此一般適宜滿(mǎn)載運(yùn)行。另外，這種控制方式下工作中需避開(kāi)震蕩點(diǎn)，以免速度波動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致失步。開(kāi)環(huán)控制低成本、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)決定了其目前仍是最主要的控制方式，但為了滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)步進(jìn)電機(jī)的要求，需要通過(guò)建立脈沖序列控制模型得到最佳控制函數(shù)，以避免失步、精度等問(wèn)題。

二、閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制相比，更適用于對(duì)精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，這種控制方式是在檢測(cè)出轉(zhuǎn)子或負(fù)載位置、速度后，給出反饋和處理，進(jìn)而自動(dòng)給出適合的驅(qū)動(dòng)脈沖序列。閉環(huán)控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于精度要求，不足之處在于需添加檢測(cè)、反饋、控制元件，不僅增加了控制系統(tǒng)的成本，而且大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。目前閉環(huán)控制方面缺少較大的技術(shù)突破，但基于堵轉(zhuǎn)檢測(cè)技術(shù)的閉環(huán)控制方式產(chǎn)品已得到應(yīng)用，在改善步進(jìn)電機(jī)精度方面效果不錯(cuò)，相信閉環(huán)控制方式仍將是未來(lái)步進(jìn)電機(jī)控制的主要方式之一。

三、加減速過(guò)程控制技術(shù)

加減速過(guò)程控制技術(shù)是為了應(yīng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)變速時(shí)脈沖變化太快而轉(zhuǎn)子慣性作用下跟不上的問(wèn)題，對(duì)步進(jìn)電機(jī)升速、降速等速度變化進(jìn)行控制，以免失步、超步或堵轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速受脈沖頻率控制，受轉(zhuǎn)子齒數(shù)、拍數(shù)影響，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)、拍數(shù)確定的條件下控制脈沖頻率可控制轉(zhuǎn)速。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)是依靠同步力矩，為了避免失步啟動(dòng)頻率通常很低，與最高頻率比甚至相差十倍以上，這要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)需要一個(gè)逐漸升速或降速的過(guò)程。在變速過(guò)程中，關(guān)鍵點(diǎn)在于變速要求的力矩能盡量利用當(dāng)前運(yùn)行頻率下所提供的力矩但不超過(guò)該力矩，加減速過(guò)程的時(shí)間盡量短。

國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者建立了許多步進(jìn)電機(jī)加減速控制數(shù)學(xué)模型，并基于模型開(kāi)發(fā)了控制電路來(lái)改善電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性。例如指數(shù)加減速充分考慮了步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，因此在避免失步的同時(shí)盡量縮短了變速時(shí)間，最大化發(fā)揮了電機(jī)固有特性，然而這種方法由于電機(jī)負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)難度很大。又如線性加減速基于負(fù)載能力范圍角速度與脈沖的正比關(guān)系，排除電源電壓、負(fù)載環(huán)境等因素波動(dòng)的影響，變速過(guò)程加速度恒定，比較容易實(shí)現(xiàn)，但由于未考慮輸出力矩隨速度變化的特性容易在高速時(shí)失步，且變速過(guò)程較長(zhǎng)。因此，為了更好的實(shí)現(xiàn)縮短變速時(shí)間、避免失步或過(guò)沖的目的，還需要深入研究如何充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)特性，且控制方式較易實(shí)現(xiàn)，以提高步進(jìn)電機(jī)的工作效率。

四、細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

由于受步進(jìn)電機(jī)制造工藝的限制，轉(zhuǎn)子齒數(shù)、拍數(shù)有限，相應(yīng)的步距角固定且通常較大，步進(jìn)分辨率不高，靈活性不足。因此步進(jìn)電機(jī)低頻運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)，工作噪音高于其他類(lèi)型電機(jī)，物理裝置易疲勞甚至損壞。這導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)一般僅適用于要求不高的工作場(chǎng)合，如要求較高往往只能采用閉環(huán)控制方式，而閉環(huán)控制又存在成本高、復(fù)雜性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，限制了步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制能夠解決上述問(wèn)題，通過(guò)步距角細(xì)分，提前計(jì)算細(xì)分控制電流參數(shù)，存入寄存器中由程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)向高速、精密化領(lǐng)域發(fā)展。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制能夠顯著提高輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)于三相反應(yīng)式電機(jī)力矩提高甚至達(dá)到40%。通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)后，步距角減小，步距均勻度提高，電機(jī)分辨率也得到提高。細(xì)分控制函數(shù)目前無(wú)法找到統(tǒng)一的函數(shù)表達(dá)式，通常采用近似的方法，例如驅(qū)動(dòng)電流用已知的函數(shù)波形進(jìn)行近似。兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)通常適用正余弦形驅(qū)動(dòng)電流，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)通常采用階梯型驅(qū)動(dòng)電流，但這些僅適用于對(duì)精度要求不高的工作場(chǎng)合。還有一種實(shí)驗(yàn)逼近法，即經(jīng)過(guò)多次測(cè)試不斷修正數(shù)據(jù)，最終得到較合理的階梯波，但這種方法受測(cè)量精度影響很大，且操作復(fù)雜，通常精度并不高。另外，也有借助函數(shù)模型的方法，借助試驗(yàn)獲得細(xì)分波形數(shù)據(jù)，然后依靠數(shù)學(xué)處理找到細(xì)分控制模型函數(shù)，此種方法對(duì)于特定系統(tǒng)精度較高，但無(wú)法在多級(jí)細(xì)分控制情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

五、閉環(huán)控制光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例

本文在此給出一個(gè)應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)完成閉環(huán)、細(xì)分控制的實(shí)施例，此光學(xué)系統(tǒng)描述如下：此光學(xué)系統(tǒng)為一對(duì)陣列反射鏡組，反射鏡尺寸為70*35*10，一側(cè)有5個(gè)鏡片組成陣列，分別有5組縱向調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)和5組水平調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整使激光在相對(duì)兩組鏡架中實(shí)現(xiàn)激光往返傳輸。通過(guò)采集鏡片光斑位置，和基本位置比對(duì)后，給出調(diào)整方法和調(diào)整角度，完成閉環(huán)調(diào)節(jié)工作；因?yàn)榧す饪倐鬏斁嚯x大于400米，步進(jìn)電機(jī)控制精度要求非常高，所以步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)必須采用大于128細(xì)分的高精度細(xì)分驅(qū)動(dòng)；為了保證試驗(yàn)較好的效果，有時(shí)要求以最快的速度調(diào)整好鏡片位置，所以還要采用步進(jìn)電機(jī)控制的加速和減速控制技術(shù)，以滿(mǎn)足光學(xué)試驗(yàn)的特殊需求。具體步進(jìn)電機(jī)調(diào)整架的控制還要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和試驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整，在此不再贅述。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展已有幾十年的歷程，在不斷解決問(wèn)題的過(guò)程中一步步提高性能。隨著現(xiàn)代科技水平的提高，各種微處理器、新型電子器件應(yīng)用到步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)代智能控制理論的發(fā)展也加快了步進(jìn)電機(jī)控制理論的進(jìn)步。目前我國(guó)在步進(jìn)電機(jī)控制方面的研究水平已處于世界先進(jìn)水平，但還存在許多問(wèn)題需要深化研究，找到更科學(xué)有效的方法，提高步進(jìn)電機(jī)控制的智能性和實(shí)用性。

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