步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計，步進電機的開環(huán)控制解析

　　步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式更加靈活多樣。

　　步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號電脈沖信號并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

　　我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，使步進電機在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　步進電機控制技術(shù)及發(fā)展概況

　　作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源步進電機驅(qū)動器。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號發(fā)生器完全由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。這就使得需要針對不同的電機開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。

　　由于步進電機是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。

　　步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　傳統(tǒng)的電流式控制方法是檢測流經(jīng)繞組的電流，并將反饋信號送到控制芯片，然后由控制芯片決定是增加還是降低繞組電流，以取得所需的電流強度。這種控制方法使電機在寬轉(zhuǎn)速和寬電源電壓范圍內(nèi)保持理想的轉(zhuǎn)矩，非常適用于全步進和半步進電機驅(qū)動，而且實現(xiàn)起來非常容易。

　　閉環(huán)控制電路將電流施加到繞組。反電動勢（BEMF）會降低繞組電壓，延長電流達到理想值的時間，因此，反電動勢限制電機轉(zhuǎn)速。雖然系統(tǒng)無需知道反電動勢值，但是，不重視且不修正這個數(shù)值將會導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

　　因為電源電壓變化導(dǎo)致峰值電流有時波動幅度很大，所以，直到現(xiàn)在，工程師還是盡量避免使用電壓式控制方法。工程師們還想避免反電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速增加而升高的問題。

　　在這種情況下，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了能夠補償反電動勢的智能電壓式控制系統(tǒng)。這種驅(qū)動方法使電機運轉(zhuǎn)更順暢，微步分辨率更高，是對高精度定位和低機械噪聲要求嚴格的應(yīng)用的理想選擇。電壓式控制是一種開環(huán)控制：當正弦電壓施加到電機相位時，機電系統(tǒng)將回饋正弦電流。

　　我們可以用數(shù)字方法補償反電動勢和峰流變化。在記住電機的準確特性（電機電感-轉(zhuǎn)速曲線、反電動勢-轉(zhuǎn)速曲線、電機電阻）后，計算并施加電壓，以取得理想的電流值。

　　電壓式控制方法是向電機施加電壓，而不是恒流。施加的電壓值能夠補償并完全消除反電動勢效應(yīng)，施加電壓的上升速率與因電機轉(zhuǎn)速增加而導(dǎo)致反電動勢上升的速率相同，保證電流幅度對轉(zhuǎn)速曲線平坦。在已知所需電流后，就可以確定取得該電流需要施加的準確電壓值。因此，電流是由電壓間接控制，如圖1所示。

　　電壓式控制還節(jié)省了分流電阻，可取得高微步分辨率和極低的轉(zhuǎn)矩脈動。事實上，意法半導(dǎo)體的L6470取得了多達128步的微步控制。

　　這款數(shù)字電機控制驅(qū)動器的核心是一個能夠降低微控制器資源占用率的數(shù)字運動引擎（DME）。

　　數(shù)字運動控制引擎是由行為命令控制，例如，絕對位置請求，并按照預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速曲線邊界驅(qū)動電機運動。全部指令集包括相對位置和絕對位置（達到目標位置）、轉(zhuǎn)速跟蹤（達到并保持目標轉(zhuǎn)速）和電機停止順序，還包括機械位置傳感器管理專用命令。圖2所示是前述部分命令。

　　該控制器通過具有菊花鏈功能的高速SPI總線接口與主微控制器通信。

　　通過一個串行接口，一個微控制器能夠管理多個控制器，從而控制多臺步進電機，如圖3所示。

　　步進電機的開環(huán)控制

　　系統(tǒng)設(shè)計時首先考慮穩(wěn)態(tài)性能。由允許的最大位置誤差和要求的最高步進頻率選擇步進電機和驅(qū)動電路。完成了這種選擇之后，接下來應(yīng)考慮怎樣對電機和驅(qū)動電路進行控制，怎樣把它們連接到系統(tǒng)的其他部分。開環(huán)控制具有簡單因而成本低等優(yōu)點，常用于簡易的經(jīng)濟型數(shù)控機床改造等技術(shù)中。圖1是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。相控制信號可以由微處理機產(chǎn)生，也可以用某種形式的時序電路產(chǎn)生。不管這種信號怎樣產(chǎn)生，設(shè)計者都需要知道它在定時上有些什么限制。例如特定負載轉(zhuǎn)矩的最高步進頻率；又如電機加速負載慣量的時間等。

　　開環(huán)控制方案中，負載位置對控制電路沒有反饋，因此，步進電機必須正確地響應(yīng)每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機不能夠移動到新的要求的位置，那么，實際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。如果負載參數(shù)基本上不隨時間變化，則相控制信號的定時比較簡單。但是，在負載可能變化的應(yīng)用場合中，定時必須以最壞（即最大負載）情況進行設(shè)定。當然，這樣確定的控制方案對所有其他負載并非最佳。

　　1. 啟停頻率

　　最簡單的開環(huán)控制方式是步進頻率恒定的那種控制方式（圖2），電機在達到目標位置之前都以這個頻率轉(zhuǎn)動。相控制信號由時序發(fā)生器產(chǎn)生，時序發(fā)生器由來自恒頻時鐘的步進命令脈沖觸發(fā)。“啟動”信號接通這個時鐘，使電機以等于鐘頻的步進頻率運行；“停止”信號關(guān)斷這個時鐘，使電機停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動方向一開始就送到相時序發(fā)生器，因此，它產(chǎn)生的相控制信號能以合適的方向運轉(zhuǎn)電機。目標位置送入減法計數(shù)器，并以這個計數(shù)器記錄執(zhí)行的步致。時鐘脈沖同時送給相時序發(fā)生器和減法計數(shù)器。于是，相激勵以恒定的鐘頻變化，減法計數(shù)器記錄電機相對目標的瞬時位置。

　　負載達到目標位置時，減法計數(shù)器的內(nèi)容成為零。時鐘的“停止”信號利用這個零產(chǎn)生。如果恒定鐘統(tǒng)頻率太高，電機不能把負載慣量加速到對應(yīng)的步進頻率；系統(tǒng)或者完全不能工作，或者在行程的開始階段失步。從靜止開始，電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率叫做“啟動頻率”。與此類似，“停止頻率”是系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，而電機不沖過目標位置的最高步進頻率。對任何電機-負載組合來講，啟動頻率和停止頻率之間的差別都很小。粘性摩擦使加速度和步進頻率降低，但有助于減速，因此，提高了停止頻率。不過，在簡單的恒頻系統(tǒng)里，時鐘必須調(diào)整在兩者之中較低的那個頻率上，以此確保可靠的啟動和停止。

　　電機從靜止開始加速時，步進頻率很低；每相激磁周期比相電路的電氣時間常數(shù)長得多。在這種情況下，系統(tǒng)性能能夠用電機的靜轉(zhuǎn)短／轉(zhuǎn)子位置特性來分析。分析結(jié)果得知，（1）如果電機的轉(zhuǎn)矩（TM）增大或負載轉(zhuǎn)矩（TL）減小，則能提高啟動額率；（2）減少系統(tǒng)慣量（電機慣量+負載慣量）也能提高啟動頻率。

　　在系統(tǒng)工作壽命內(nèi)．由于零部件磨損，將影響負載轉(zhuǎn)矩。為了允許負載轉(zhuǎn)矩略為變化，恒頻鐘應(yīng)比求得的啟動頻率略低，且可調(diào)。為了確保系統(tǒng)在工作速度情況下對機械諧振不敏感，還應(yīng)考慮失步轉(zhuǎn)矩／頻率特性。如果算得啟動頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應(yīng)改用較低頻率的時鐘，或者通過增加阻尼降低諧振影響。實際工作中，啟動頻率也常常通過試驗求得。

　　2．加速和減速工作

　　因為步進電機系統(tǒng)的啟動頻率比它的最高運行頻率低得多，因此，為了減少定位時間，常常通過加速使電機在接近最高的速度下運行。隨著目標位置的逼近，為使電機平穩(wěn)地停下來，重新使步進頻率逐漸降低到啟停電機頻率。從初始位置往目標位置運動的整個過程中，步進頻率都在變。若以曲線表示即得“速度曲線”，如圖3所示。注意；減速可以比加速快得多，因為負載轉(zhuǎn)矩幫助系統(tǒng)

　　制動；而且，電機產(chǎn)生的減速轉(zhuǎn)矩比 （a）速度曲線；（b）對應(yīng)的位置／時間響應(yīng)曲線

　　加速轉(zhuǎn)矩大。

　　3．開環(huán)控制的實現(xiàn)

　　對任何系統(tǒng)，選擇控制方式都要考慮性能高和成本低等要求。例如，為了使加速方式最佳，也許要求按指數(shù)曲線上升，但是，實現(xiàn)的費用高。設(shè)計者也許會用比較簡單的線性斜坡來折衷，因為這種斜坡能以很低成本實現(xiàn)。另一方面，集成電路工藝的迅速發(fā)展，使我們能以低價制成的芯片得到各種各樣的電路功能，因此，估計以微處理機控制的潛在優(yōu)點成為很現(xiàn)實的問題。在微機控制的系統(tǒng)中，常?？梢园盐⑻幚頇C的富裕處理能力用來控制步進電機。這時，額外的存貯器成本和軟件開發(fā)成本的增加很可能低于獨立的硬件控制器的價格。

　?。?）以微處理機產(chǎn)生定時 微處理機很容易產(chǎn)生控制步進電機所要求的數(shù)字信號。開環(huán)控制中，即使負載很輕，步進電機也很少以大于10000步／秒的速度工作，因此，只要求微處理機每0.1毫秒發(fā)一次步進命令。而每次發(fā)送步進命令所需要的程序執(zhí)行時間比0.1毫秒小很多，所以，微處理機完全有多余能力執(zhí)行別的任務(wù)。使用中斷子程序控制電機能使處理能力得到充分利用。

　　固定的，步進命令之間的時間受從“TABLE”單元開始的查閱表里存儲數(shù)值的控制。程序以設(shè)寄存器“指針”等于“TABLE”開始，因此，“指針”里裝有查閱表中第一個值的地址。然后，把第一次步進命令發(fā)給激磁時序控制器，用它改變電機里的相激磁。

　　在發(fā)下一次步進命令之前必須進行延時，使電機有時間執(zhí)行第一步。這時， 取出由指針尋址的延時數(shù)（第一次為查閱表里的第一個值）并把它存入“延遲”單元里。然后，檢查這個單元的內(nèi)容是不是零。如果是零，表示已經(jīng)走到了這個表的末尾；不是零則“指針”加一，指向表內(nèi)的下一個數(shù)。最后，控制程序返回主程序。

　　主程序繼續(xù)執(zhí)行直到發(fā)生下次時鐘中斷，它使處理機返回到電機控制子程序的“入口”?！舆t”單元里的數(shù)減一并且與零比較。如果不為零，則控制立即返回主程序；如果“延遲”單元已達到零，則把下一步命令送到激磁時序控制器，并且往“延遲”單元裝入查閱表里的下一個位。因此，步進命令之間的時間與恒定的時鐘周期及查閱表中的數(shù)值成正比。例如：第一步命令發(fā)出之后，“延遲”單元裝入“30”，于是，“延遲”單元減到零之前將產(chǎn)生30次時鐘中斷。

　　查閱表中的數(shù)值是考慮以6步上升到最高步進頻率設(shè)置的，這個最高頻率是鐘頻的l／l0。減速從長延時數(shù)值（25）開始，這個時間對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置而進入產(chǎn)生減速所需要的負轉(zhuǎn)矩的位置。因為負載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的是負轉(zhuǎn)矩，所以，使電機減速只需要4步。最后，系統(tǒng)逐漸靜止，距離初始位置共14步。這時，程序檢

　　測到“延遲”單元內(nèi)容為零

　　并轉(zhuǎn)到“停止”。 考慮14步運動的”延遲”值取樣表

　　該例中，走過的距離是

　　固定的。不過，行程開始之前，程序可裝入不同的目標位置。通過擴展查閱表和修改有關(guān)程序，能使步數(shù)增加。如果目標離初始位置少于14步，這時，可以刪去查閱表里適當?shù)奈?，使頻率降低，步數(shù)減少。

　?。?）以硬件定時 如果加速系統(tǒng)需要執(zhí)行的步數(shù)比較少，那么，相激磁定時可以用數(shù)字集成電路產(chǎn)生。例如，在圖5 （a）小，精確的前三步定時由持

　　續(xù)時間可變的延時時序電路產(chǎn)生，用它把電機加速到由系統(tǒng)鐘頻確定的步進頻率。當接近目標位值時，利用后面的延時時序電路使電機減速。

　　系統(tǒng)最初靜止，啟動脈沖加到 “啟動”輸入端后，經(jīng)過一系列邏輯“或”門作用到相序發(fā)生器上，相序發(fā)處器發(fā)生的激磁變化啟動電機加速。啟動脈沖同時觸發(fā)第一級延時電路，把這個脈沖延遲T1時間，在這期間，電機運動到第—次相轉(zhuǎn)換位置。經(jīng)過T1延時后，第一級的脈沖輸出送到相序發(fā)生器并觸發(fā)下級延時電路。這種時序一直繼續(xù)到所有延時電路都工作完。最末一級延時的輸出用來啟動恒頻時鐘，以恒頻時鐘生以后的步進命令，定時波形如圖5（b）所示。

　　因為事先把目標位置送入了減法計數(shù)器。以后每執(zhí)行一次，計數(shù)器就減一。因此，這個計數(shù)器記錄著到達目標位置之前需要發(fā)出的步進命令數(shù)。當還需要執(zhí)行的步數(shù)等于減速延時電路數(shù)時，減法計數(shù)器產(chǎn)生一個脈沖， 關(guān)斷時鐘并觸發(fā)第一級減速電路延時T1，。到達目標位置之前的最后幾步的減速控制由三級持續(xù)時間可變的延時T1，、T2，、T3，產(chǎn)生，它們順序觸發(fā)，產(chǎn)生送到相序發(fā)生器的步進命令。減速以長激磁周期（T1，）開始，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置和產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩。 如果系統(tǒng)的最大工作速度接近失步頻率，那末，也許需要20到50級

　　延時，這時成本很高。通常，硬件定時僅用在工作速度比正常的啟停頻率高得不太多的場合。在這些應(yīng)用中，延時時間能夠用靜轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)子位置特性曲線成功地預(yù)測。