步進(jìn)電機(jī)的單脈沖控制、雙脈沖控制、開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。

　　雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　步進(jìn)電機(jī)的控制有單電壓和高低電壓控制之分；

　　單電壓控制用一串脈沖信號(hào)控制一個(gè)電子開(kāi)關(guān)的通、斷來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞組得電、失電；

　　高低電壓控制在單電壓控制的基礎(chǔ)上，用另一串脈沖控制一個(gè)電子開(kāi)關(guān)的 通、半導(dǎo)通 ，兩個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)，兩個(gè)控制脈沖同頻率但不同相位和寬度。達(dá)到給繞組的供電電壓全、一半、迅速關(guān)斷的目的。

　　步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制

　　1、步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運(yùn)動(dòng)方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開(kāi)環(huán)控制方式。圖為開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由控制器、功率放大器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。

　　2、步進(jìn)電機(jī)的控制器

　　1、步進(jìn)電機(jī)的硬件控制

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在—個(gè)脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的相應(yīng)的角度。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過(guò)程稱(chēng)為環(huán)形脈沖分配。

　　實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。一種是計(jì)算機(jī)軟件分配，采用查表或計(jì)算的方法使計(jì)算機(jī)的三個(gè)輸出引腳依次輸出滿(mǎn)足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號(hào)。這種方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，以減少硬件成本，尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配更顯示出它的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟件運(yùn)行會(huì)占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，因而會(huì)使插補(bǔ)運(yùn)算的總時(shí)間增加，從而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。

　　另一種是硬件環(huán)形分配，采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號(hào)經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、邏輯門(mén)等）構(gòu)成，特點(diǎn)是體積大、成本高、可靠性差。

　　2、步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制：

　　目前，伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)榛谖C(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） 能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機(jī)不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi)用會(huì)變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點(diǎn)。

　?。?） 可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無(wú)故障時(shí)（MTBF）大大長(zhǎng)于分立元件電子電路。

　　（3） 數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。

　?。?） 硬件電路易標(biāo)準(zhǔn)化。在電路集成過(guò)程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過(guò)大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問(wèn)題，因此可靠性比較高。

　?。?） 采用微處理機(jī)的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，容易和上位系統(tǒng)機(jī)聯(lián)運(yùn)，可隨時(shí)改變控制參數(shù)。

　?。?） 可以設(shè)計(jì)適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，其中軟件可以模塊化設(shè)計(jì)，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對(duì)象的控制算法；以滿(mǎn)足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)變化時(shí)徹底更新。

　　（7） 提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級(jí)控制的能力，使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。

　?。?） 隨著微機(jī)芯片運(yùn)算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的控制策略有了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

　　3、步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路

　　要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，必須為步進(jìn)電機(jī)提供足夠功率的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這一功能的電路稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)功率開(kāi)關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動(dòng)器的性能，對(duì)每一相繞組來(lái)說(shuō)，理想的功率驅(qū)動(dòng)器應(yīng)使通過(guò)繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組有很大的電感，要做到這一點(diǎn)是有困難的。

　　常見(jiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有二種：

　　圖4.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　?。?）單電壓驅(qū)動(dòng)電路

　　這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，圖6-19所示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組驅(qū)動(dòng)電路（每相繞組的電路相同）。

　　當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號(hào) 為低電平（邏輯0，約1V）時(shí)，雖然VT1、管都導(dǎo)通，但只要適當(dāng)選擇的阻值，使《0（約為-1V），那么管就處于截止?fàn)顟B(tài)，該相繞組斷電。當(dāng)輸入信號(hào) 為高電平3.6V（邏輯1）時(shí)?！?（約為0.7V），管飽和導(dǎo)通，該相繞組通電。

　　（2）雙電壓驅(qū)動(dòng)電路 又稱(chēng)高低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓和低壓兩個(gè)電源供電。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組剛接通時(shí)，通過(guò)高壓電源供電，以加快電流上升速度，延遲一段時(shí)間后，切換到低壓電源供電。這種電路使電流波形、輸出轉(zhuǎn)矩及運(yùn)行頻率等都有較大改善。

　　當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號(hào)為高電平時(shí)（要求該相繞組通電），二極管的基極都有信號(hào)電壓輸入，使均導(dǎo)通。于是在高壓電源作用下（這時(shí)二極管兩端承受的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，可使低壓電源不對(duì)繞組作用）繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。當(dāng)電流達(dá)到或稍微超過(guò)額定穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，利用定時(shí)電路或電流檢測(cè)器等措施切斷基極上的信號(hào)電壓，于是截止，但此時(shí)仍然是導(dǎo)通的，因此繞組電流即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過(guò)二極管供給。當(dāng)環(huán)形分配器輸出端的電壓為低電平時(shí)（要求繞組斷電），基極上的信號(hào)電壓消失，于是截止，繞組中的電流經(jīng)二極管及電阻向高壓電源放電，電流便迅速下降。采用這種高低壓切換型電源，電動(dòng)機(jī)繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個(gè)很小的電阻（為平衡各相的電流），所以電源的功耗比較小。由于這種供壓方式使電流波形得到很大改善，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一頻率特性好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到很大的提高。

　　步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制

　　同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。