步進(jìn)電機(jī)精確控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桑占良

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

步進(jìn)電機(jī)是一種依據(jù)電脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的高精度控制元件，被人們廣泛應(yīng)用，特別適合要求響應(yīng)速度快、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、輸出扭矩高的應(yīng)用場(chǎng)景，其廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、ATM 機(jī)、噴繪機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、精密儀器、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域，并且它的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大。在一些要求精度很高的場(chǎng)合，為了實(shí)現(xiàn)其控制優(yōu)勢(shì)，需對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制，因此步進(jìn)電機(jī)精確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。

1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等。

步進(jìn)電機(jī)是通過不斷改變定子繞組的通電狀態(tài)來運(yùn)轉(zhuǎn)的，步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)步距角。轉(zhuǎn)子步距角為式中m為定子相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，C為通電方式。通過控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)可以控制步進(jìn)電機(jī)的角位移Φ=Nθ，控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過調(diào)整電機(jī)繞組通電順序可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為其中T為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為扭力，R為作用半徑，V為轉(zhuǎn)速，P為功率。

以四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理。四相步進(jìn)電機(jī)采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序供電，步進(jìn)電機(jī)就能按照供電時(shí)序步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理如圖1所示。

最初，開關(guān)SB閉合時(shí)，接通直流電源，斷開SA、SC和SD開關(guān)，此時(shí)B 相磁極與轉(zhuǎn)子0、3 號(hào)齒對(duì)正，同時(shí)，C、D 相繞組磁極和轉(zhuǎn)子的1、4 號(hào)齒產(chǎn)生錯(cuò)齒，A、D 相繞組磁極就和轉(zhuǎn)子的2、5 號(hào)齒產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通直流電源，而SA、SB和SD開關(guān)斷開時(shí)，由于C 相繞組和1、4 號(hào)齒之間磁力線的相互作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，C 相繞組的磁極與1、4 號(hào)齒對(duì)齊。而A、B 相繞組與轉(zhuǎn)子的0、3 號(hào)齒產(chǎn)生錯(cuò)齒，A、D 相繞組磁極就與2、5 號(hào)齒產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，給A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)以步進(jìn)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖

四相步進(jìn)電機(jī)按照通電時(shí)序的不同，可分為單四拍、雙四拍和八拍三種類型工作方式。雙四拍與單四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是雙四拍與單四拍的一半，因此步進(jìn)電機(jī)八拍工作方式不僅可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，而且可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍三種工作方式的供電時(shí)序與波形分別如圖2 中（a）（b）（c）所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖

2 步進(jìn)電機(jī)的控制

一般采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種控制方式控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中開環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的控制方式，步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的輸入并不依賴于轉(zhuǎn)子的位移狀態(tài)，而是按照某一固定的規(guī)律發(fā)出控制脈沖，步進(jìn)電機(jī)僅依靠這一系列既定的脈沖而工作。

開環(huán)控制原理如圖3 所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制原理圖

步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制具有控制精度不高，有時(shí)還會(huì)發(fā)生失步和震蕩現(xiàn)象等缺點(diǎn)，因此要想精確控制步進(jìn)電機(jī)，可采用閉環(huán)控制方式。閉環(huán)控制指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制是采用位置反饋和（或）速度反饋來確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的供電時(shí)序，可顯著改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能。

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制原理如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制原理圖

閉環(huán)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置或速度，然后將檢測(cè)到的信號(hào)反饋到輸入端并配以適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚?，自?dòng)地給出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖序列，這個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖序列是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置而隨時(shí)變化的，結(jié)合微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，再配以合適的軟件算法，即可以實(shí)現(xiàn)很高的控制精度要求。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用模塊化設(shè)計(jì)，可分為步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、外圍電路以及人機(jī)接口五部分，如圖5 所示。微處理器通過PWM 輸出控制脈沖，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置通過傳感器反饋到微處理器的輸入口，控制處理器實(shí)時(shí)采集步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，通過閉環(huán)控制算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖6 所示。

步進(jìn)電機(jī)控制程序流程如圖7 所示。

部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序如下：

圖5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖6 主程序框架流程圖

圖7 電機(jī)控制框架流程圖

在步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制過程中，處理器讀取電機(jī)的控制命令參數(shù)，可以是本地存儲(chǔ)的參數(shù)，也可以是上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)，然后讀取傳感器反饋的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)，得出當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)參數(shù)與目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)的偏差，如偏差為零，則鎖定目前電機(jī)的狀態(tài)，如偏差不為零，通過PID 運(yùn)算控制PWM 的輸出，精確控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。有時(shí)為了提高響應(yīng)速度也可采用PID 控制算法。

4 結(jié)束語

本文介紹了步進(jìn)電機(jī)精確控制工作原理以及應(yīng)用，給出了步進(jìn)電機(jī)精確控制的硬件原理框圖和程序流程圖?；赑ID 算法的閉環(huán)控制方法解決了步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制過程中失步和過沖現(xiàn)象。PID 控制方法簡(jiǎn)單，控制效果良好。閉環(huán)PID 控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。