陳洲

(西南石油大學，四川 成都 610500)

引言

目前，步進電機控制方法通常采用兩種，閉環(huán)控制和開環(huán)控制。步進電機的閉環(huán)控制方法，其實現(xiàn)復雜程度和系統(tǒng)成本較高，采用模糊PID控制等策略，使用附加的編碼器實時采集電機轉(zhuǎn)軸位置信息并反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)。然而隨著細分驅(qū)動技術的發(fā)展和普及，電機的輸出轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率的同步性不斷提高，再選擇合適的控制算法，可以有效地避免失步、振蕩等現(xiàn)象。而開環(huán)控制技術實現(xiàn)簡單，大多數(shù)情況下其控制精度可以達到系統(tǒng)要求，因此，文章采用細分控制的方法將控制的PWM進行細節(jié)控制，以達到精確控制的效果。

1 步進電機控制系統(tǒng)

步進電機受脈沖信號的控制，能將電脈沖按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的電子器件，其旋轉(zhuǎn)的角度與輸入電脈沖的數(shù)量成正比關系，誤差比較小。常見的步進電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成包含功率驅(qū)動器和脈沖分配器，如圖1所示。

圖1 步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

步進電機需要數(shù)字脈沖作為驅(qū)動信號，所以不能直接在交直流電源上工作，需要采用功率驅(qū)動設備或模塊將電脈沖的功率進行放大，以滿足步進電機的電流要求。由此可知步進電機控制系統(tǒng)的控制效果不僅取決于電機的自身性能和控制方案的選擇，而且還取決于電機驅(qū)動能力的好壞，一個驅(qū)動能力優(yōu)異的驅(qū)動器可以將電機的性能以及控制方案的優(yōu)勢都完美得實現(xiàn)。這不僅表現(xiàn)在對電機的轉(zhuǎn)速的控制，還體現(xiàn)在對電機的最大轉(zhuǎn)矩以及電機的及時制動能力的體現(xiàn)。與此同時，一個好的電機驅(qū)動可以有效降低系統(tǒng)的響應速度、減小零點振蕩的出現(xiàn)概率和震動幅度，進一步提高電機的實時性能。

在數(shù)十百年的研究過程中，前人已經(jīng)研究出了非常對的步進電機驅(qū)動方案，但是并非都是合適的，其中使用最多的驅(qū)動方式有變電壓脈沖驅(qū)動、恒流斬波驅(qū)動、細分驅(qū)動、變頻變壓驅(qū)動等。

傳統(tǒng)的驅(qū)動方式只控制步進電機繞組電流的開斷。因此，如果轉(zhuǎn)子齒數(shù)保持不變，則只有提高分辨率才能改變繞組的相數(shù)。采用電流控制技術，能夠非常方面的對步進電機的步進角進行細分，就可以在原有的控制基礎上實現(xiàn)步進電機的細分控制，極大的提高了步進電機的輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、制動能力等方面的能力。

本文為實現(xiàn)控制步進電機電流大小，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動達到精確的程度，采用了細分驅(qū)動的技術來控制最關鍵的橋中晶鬧管的關斷時間。具體的方法是使用功率驅(qū)動技術將控制端獲取來的控制脈沖先轉(zhuǎn)換或等步進角擬正弦細分電流波形，再使用脈寬調(diào)制技術將細分電路輸出的參考電流波形轉(zhuǎn)換為波形。

2 步進電機的細分驅(qū)動

細分控制的實質(zhì)就是控制步進電機磁場繞組中的電流，使步進電機內(nèi)部的合成磁場構(gòu)成均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。并由此旋轉(zhuǎn)磁場的矢量幅值決定電機的轉(zhuǎn)矩大小，同時其旋轉(zhuǎn)頻率決定電機的轉(zhuǎn)速。由此可知，要控制電機就需要控制電機繞組中電流的大小、頻率，這才能使電機內(nèi)的合成磁場的幅值達到穩(wěn)定的控制，使得電機的轉(zhuǎn)矩得到合理的控制，不過在細分控制中由于主要研究轉(zhuǎn)速的控制，所以一般將磁場的幅值設為定值，以便研究步進電機恒轉(zhuǎn)矩的均勻細分。細分控制方法是在兩相步進電機繞組電流開關中，代替原繞組電流直接開關的方法，不是全部涌入或去除繞組電流，而是只改變相應的額定繞組部分，合成電機磁勢。電機的控制脈沖每一次只是以前控制方法的一小階梯段，轉(zhuǎn)子的每一步只運行一部分階梯段。在這種情況下，繞組電流不是方波，而是階躍波。這兩種方式的工作波形如圖2所示

圖2 左圖為未細分脈沖，右圖為細分后脈沖

3 H橋功率驅(qū)動

由于步進電機各相繞組都是以數(shù)字方式運行，繞組電流并非連續(xù)，相反的是在時域上是存在無數(shù)的階躍斷點。同時電機是由電感組成的，而電感中的電流是不可能瞬間變化為0，所以就需要在電路中設置續(xù)流回路，以便將電感中的電流迅速衰減消耗，避免產(chǎn)生巨大的電涌，破壞電路及其他電器元件。而解決這個問題的最好辦法就是采用H橋驅(qū)動，H橋驅(qū)動具有雙極性特點，可以將電機的電流及時的控制在有效的范圍，并能通過4個開關管將控制脈沖有效的傳導到電機上。

4 總結(jié)

本章主要就步進電機控制系統(tǒng)的基礎知識和相關控制理論進行闡述和分析。首先介紹兩相混合式步進電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并簡要說明其數(shù)學模型。其次，介紹步進電機細分控制設計思想，對步進電機細分驅(qū)動技術及脈寬調(diào)制技術進行分析。最后，結(jié)合相關系統(tǒng)的應用需求，通過研究步進電機速度控制方法，對比其它運行曲線發(fā)現(xiàn)拋物線形具有明顯優(yōu)勢，因此結(jié)合梯形運行曲線，推導了拋物線運行曲線的算法公式。

兩相混合式步進電機可以直接使用數(shù)字脈沖進行開環(huán)控制，具體控制簡單，動態(tài)力矩大，定位精度高等特點，是一種具有獨特有點的控制器件。但本身也有不少缺點，例如在較高轉(zhuǎn)速要求下電機容易倒轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)，失步等，對系統(tǒng)的運行造成很嚴重的后果。合適的運行曲線對步進電機的開環(huán)控制性能有很大的影響。