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

　　步進(jìn)電機是一種感應電機，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)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅動(dòng)器就是為步進(jìn)電機分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。

　　雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。

　　步進(jìn)電機的單脈沖控制與雙脈沖控制

　　步進(jìn)電機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控制一個(gè)電子開(kāi)關(guān)的通、斷來(lái)控制電機驅動(dòng)繞組得電、失電；

　　高低電壓控制在單電壓控制的基礎上，用另一串脈沖控制一個(gè)電子開(kāi)關(guān)的 通、半導通 ，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)電機的開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　步進(jìn)電機的開(kāi)環(huán)控制

　　1、步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)伺服系統的一般構成

　　步進(jìn)電動(dòng)機的電樞通斷電次數和各相通電順序決定了輸出角位移和運動(dòng)方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現步進(jìn)電動(dòng)機的速度控制。因此，步進(jìn)電機控制系統一般采用開(kāi)環(huán)控制方式。圖為開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機控制系統框圖，系統主要由控制器、功率放大器、步進(jìn)電動(dòng)機等組成。

　　2、步進(jìn)電機的控制器

　　1、步進(jìn)電機的硬件控制

　　步進(jìn)電動(dòng)機在—個(gè)脈沖的作用下，轉過(guò)一個(gè)相應的步距角，因而只要控制一定的脈沖數，即可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機轉過(guò)的相應的角度。但步進(jìn)電動(dòng)機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)現環(huán)形分配的方法有兩種。一種是計算機軟件分配，采用查表或計算的方法使計算機的三個(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。這種方法能充分利用計算機軟件資源，以減少硬件成本，尤其是多相電動(dòng)機的脈沖分配更顯示出它的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟件運行會(huì )占用計算機的運行時(shí)間，因而會(huì )使插補運算的總時(shí)間增加，從而影響步進(jìn)電動(dòng)機的運行速度。

　　另一種是硬件環(huán)形分配，采用數字電路搭建或專(zhuān)用的環(huán)形分配器件將連續的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。采用數字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、邏輯門(mén)等）構成，特點(diǎn)是體積大、成本高、可靠性差。

　　2、步進(jìn)電機的微機控制：

　　目前，伺服系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實(shí)現的。這是因為基于微機實(shí)現的數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不斷涌現，硬件費用會(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(zhù)改善控制的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無(wú)故障時(shí)（MTBF）大大長(cháng)于分立元件電子電路。

　?。?） 數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。

　?。?） 硬件電路易標準化。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。

　?。?） 采用微處理機的數字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯(lián)運，可隨時(shí)改變控制參數。

　?。?） 可以設計適合于眾多電力電子系統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法；以滿(mǎn)足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實(shí)際系統變化時(shí)徹底更新。

　?。?） 提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控制的能力，使伺服系統更趨于智能化。

　?。?） 隨著(zhù)微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復雜的控制策略有了實(shí)現的基礎。

　　3、步進(jìn)電機的功率驅動(dòng)電路

　　要使步進(jìn)電動(dòng)機能輸出足夠的轉矩以驅動(dòng)負載工作，必須為步進(jìn)電機提供足夠功率的控制信號，實(shí)現這一功能的電路稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)電路。驅動(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進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動(dòng)機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)機的工作特性在很大程度上取決于功率驅動(dòng)器的性能，對每一相繞組來(lái)說(shuō)，理想的功率驅動(dòng)器應使通過(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)機驅動(dòng)電路有二種：

　　圖4.6 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　?。?）單電壓驅動(dòng)電路

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

　　當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號 為低電平（邏輯0，約1V）時(shí)，雖然VT1、管都導通，但只要適當選擇的阻值，使《0（約為-1V），那么管就處于截止狀態(tài)，該相繞組斷電。當輸入信號 為高電平3.6V（邏輯1）時(shí)。》0（約為0.7V），管飽和導通，該相繞組通電。

　?。?）雙電壓驅動(dòng)電路 又稱(chēng)高低壓驅動(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、輸出轉矩及運行頻率等都有較大改善。

　　當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號為高電平時(shí)（要求該相繞組通電），二極管的基極都有信號電壓輸入，使均導通。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，處于截止狀態(tài)，可使低壓電源不對繞組作用）繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達到或稍微超過(guò)額定穩態(tài)電流時(shí)，利用定時(shí)電路或電流檢測器等措施切斷基極上的信號電壓，于是截止，但此時(shí)仍然是導通的，因此繞組電流即轉而由低壓電源經(jīng)過(guò)二極管供給。當環(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)機的轉矩一頻率特性好，啟動(dòng)和運行頻率得到很大的提高。

　　步進(jìn)電機的閉環(huán)控制

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