步進(jìn)電機的功能模塊設計，步進(jìn)電機的控制與測速方法

　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。

　　步進(jìn)電機的功能模塊設計

　　本模塊可分為如下3個(gè)部分：

　　· 單片機系統：控制步進(jìn)電動(dòng)機；

　　· 外圍電路：PIC單片機和步進(jìn)電動(dòng)機的接口電路；

　　· PIC程序：編寫(xiě)單片機控制步進(jìn)電功機的接口程序，實(shí)現三角波信號的輸出功能。

　?。?）步進(jìn)電動(dòng)機與單片機的接口

　　單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進(jìn)電機工作時(shí)，接口部件必須要有下列功能。

　?、匐妷焊綦x功能。

　　單片機工作在5V，而步進(jìn)電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機的電壓串到單片機中，就會(huì )損壞單片機；步進(jìn)電機的信號會(huì )干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。

　?、谛畔鬟f功能。

　　接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進(jìn)電機回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對應于不同的工作方式，接口部件應能產(chǎn)生相應的工作控制波形。

　?、郛a(chǎn)生所需的不同頻率。

　　為了使步進(jìn)電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產(chǎn)生不同的工作頻率。

　?。?）電壓隔離接口

　　電壓隔離接口專(zhuān)用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，以保證它們的正常工作。

　　電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過(guò)TTL門(mén)電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅動(dòng)光電耦合器件的發(fā)光二極管。

　　發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動(dòng)步進(jìn)電機的功率放大電路，電流放大接口是步進(jìn)電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進(jìn)行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動(dòng)電流。

　?。?）工作方式接口和頻率發(fā)生器

　　用單片機控制步進(jìn)電動(dòng)機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線(xiàn)對步進(jìn)電動(dòng)機進(jìn)行控制，這時(shí)，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進(jìn)電動(dòng)機的三相。

　　步進(jìn)電機的控制

　　步進(jìn)電機的開(kāi)環(huán)控制

　　1、步進(jìn)電機的硬件控制

　?。?）脈沖分配器

　　當方向電平為低時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

　　當方向電平為高時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

　?。?）加、減速控制：

　?。?）功率放大器

　　將脈沖分配器的輸出信號進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機的定子繞組供電，使電動(dòng)機的轉子產(chǎn)生輸出轉矩。

　　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。

　　步進(jìn)電機的閉環(huán)控制

　　步進(jìn)電機的控制策略

　　1 PID 控制

　　PID 控制作為一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制方法 ， 在步進(jìn)電機驅動(dòng)中獲得了廣泛的應用。它根據給定值 r（ t） 與實(shí)際輸出值 c（t） 構成控制偏差 e（ t） ， 將偏差的比例 、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量 ，對被控對象進(jìn)行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進(jìn)電機中 ，以位置檢測器和矢量控制為基礎 ，設計出了一個(gè)可自動(dòng)調節的 PI 速度控制器 ，此控制器在變工況的條件下能提供令人滿(mǎn)意的瞬態(tài)特性 。文獻根據步進(jìn)電機的數學(xué)模型 ，設計了步進(jìn)電機的 PID 控制系統 ，采用 PID 控制算法得到控制量 ，從而控制電機向指定位置運動(dòng) 。最后 ，通過(guò)仿真驗證了該控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應特性 。采用 PID 控制器具有結構簡(jiǎn)單 、魯棒性強 、可靠性高等優(yōu)點(diǎn) ，但是它無(wú)法有效應對系統中的不確定信息 。［2］

　　目前 ， PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 ， 形成帶有智能的新型復合控制 。這種智能復合型控制具有自學(xué)習 、自適應 、自組織的能力 ，能夠自動(dòng)辨識被控過(guò)程參數 ， 自動(dòng)整定控制參數 ， 適應被控過(guò)程參數的變化 ，同時(shí)又具有常規 PID 控制器的特點(diǎn)。［2］

　　2 自適應控制

　　自適應控制是在 20 世紀 50 年代發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)分支 。它是隨著(zhù)控制對象的復雜化 ，當動(dòng)態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預測的變化時(shí) ，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的 。其主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現和自適應速度快 ，能有效地克服電機模型參數的緩慢變化所引起的影響 ，是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據步進(jìn)電機的線(xiàn)性或近似線(xiàn)性模型推導出了全局穩定的自適應控制算法 ， 這些控制算法都嚴重依賴(lài)于電機模型參數 。文獻將閉環(huán)反饋控制與自適應控制結合來(lái)檢測轉子的位置和速度 ， 通過(guò)反饋和自適應處理 ，按照優(yōu)化的升降運行曲線(xiàn) ， 自動(dòng)地發(fā)出驅動(dòng)的脈沖串 ，提高了電機的拖動(dòng)力矩特性 ，同時(shí)使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩的轉速 。

　　目前 ，很多學(xué)者將自適應控制與其他控制方法相結合 ，以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ，確保了轉動(dòng)脈矩的最大化補償及伺服系統低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實(shí)現的自適應模糊 PID 控制器可以根據輸入誤差和誤差變化率的變化 ， 通過(guò)模糊推理在線(xiàn)調整 PID參數 ，實(shí)現對步進(jìn)電機的自適應控制 ， 從而有效地提高系統的響應時(shí)間 、計算精度和抗干擾性 。

　　3 矢量控制

　　矢量控制是現代電機高性能控制的理論基礎 ，可以改善電機的轉矩控制性能 。它通過(guò)磁場(chǎng)定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量分別加以控制 ，從而獲得良好的解耦特性 ，因此 ， 矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ，又需要控制電流的相位 。由于步進(jìn)電機不僅存在主電磁轉矩 ， 還有由于雙凸結構產(chǎn)生的磁阻轉矩 ， 且內部磁場(chǎng)結構復雜 ， 非線(xiàn)性較一般電機嚴重得多 ， 所以它的矢量控制也較為復雜 。文獻［ 8］ 推導出了二相混合式步進(jìn)電機 d-q 軸數學(xué)模型 ，以轉子永磁磁鏈為定向坐標系 ，令直軸電流 id =0 ，電動(dòng)機電磁轉矩與 i q 成正比 ， 用PC 機實(shí)現了矢量控制系統 。系統中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉自位置 ，用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文獻推導出基于磁網(wǎng)絡(luò )的二相混合式步進(jìn)電機模型 ， 給出了其矢量控制位置伺服系統的結構 ，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型參考自適應控制策略對系統中的不確定因素進(jìn)行實(shí)時(shí)補償 ，通過(guò)最大轉矩/電流矢量控制實(shí)現電機的高效控制 。［2］

　　4 智能控制的應用

　　智能控制不依賴(lài)或不完全依賴(lài)控制對象的數學(xué)模型 ，只按實(shí)際效果進(jìn)行控制 ， 在控制中有能力考慮系統的不確定性和精確性 ， 突破了傳統控制必須基于數學(xué)模型的框架 。目前 ， 智能控制在步進(jìn)電機系統中應用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和智能控制的集成 。

　　4 .1 模糊控制

　　模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ，運用模糊控制器的近似推理等手段 ，實(shí)現系統控制的方法 。作為一種直接模擬人類(lèi)思維結果的控制方式 ， 模糊控制已廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域 。與常規控制相比 ，模糊控制無(wú)須精確的數學(xué)模型 ， 具有較強的魯棒性 、自適應性 ， 因此適用于非線(xiàn)性 、時(shí)變 、時(shí)滯系統的控制 。文獻［ 16］ 給出了模糊控制在二相混合式步進(jìn)電機速度控制中應用實(shí)例 。系統為超前角控制 ，設計無(wú)需數學(xué)模型 ，速度響應時(shí)間短 。

　　4 .2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓撲結構和學(xué)習調整的方法 。它可以充分逼近任意復雜的非線(xiàn)性系統 ，能夠學(xué)習和自適應未知或不確定的系統 ，具有很強的魯棒性和容錯性 ，因而在步進(jìn)電機系統中得到了廣泛的應用 。文獻將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )用于實(shí)現步進(jìn)電機最佳細分電流 ， 在學(xué)習中使用 Bay es 正則化算法 ，使用權值調整技術(shù)避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )陷入局部極小點(diǎn) ，有效解決了等步距角細分問(wèn)題 。

　　步進(jìn)電機的測速方法

　　步進(jìn)電機是將脈沖信號轉換為角位移或線(xiàn)位移。

　　一是過(guò)載性好。其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時(shí)就會(huì )出現速度下降的情況，步進(jìn)電機使用時(shí)對速度和位置都有嚴格要求。

　　二是控制方便。步進(jìn)電機是以“步”為單位旋轉的，數字特征比較明顯。

　　三是整機結構簡(jiǎn)單。傳統的機械速度和位置控制結構比較復雜，調整困難，使用步進(jìn)電機后，使得整機的結構變得簡(jiǎn)單和緊湊。測速電機是將轉速轉換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過(guò)測速電機所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來(lái)達到控制直流電機轉速的目的。