步進電機的單脈沖控制、雙脈沖控制、開環(huán)控制和閉環(huán)控制

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

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

　　步進電機的單脈沖控制與雙脈沖控制

　　步進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電子開關(guān)的通、斷來控制電機驅(qū)動繞組得電、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電子開關(guān)的 通、半導(dǎo)通 ，兩個開關(guān)串聯(lián)，兩個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。

　　步進電機的開環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　步進電機的開環(huán)控制

　　1、步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成

　　步進電動機的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。因此，步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。圖為開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由控制器、功率放大器、步進電動機等組成。

　　2、步進電機的控制器

　　1、步進電機的硬件控制

　　步進電動機在—個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進電動機轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。但步進電動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)變化的過程稱為環(huán)形脈沖分配。

　　實現(xiàn)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輸出引腳依次輸出滿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，尤其是多相電動機的脈沖分配更顯示出它的優(yōu)點。但由于軟件運行會占用計算機的運行時間，因而會使插補運算的總時間增加，從而影響步進電動機的運行速度。

　　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、邏輯門等）構(gòu)成，特點是體積大、成本高、可靠性差。

　　2、步進電機的微機控制：

　　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實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(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：

　?。?） 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(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點。

　?。?） 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故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。

　?。?） 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。

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

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

　　（6） 可以設(shè)計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，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統(tǒng)變化時徹底更新。

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

　　（8） 隨著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(fù)雜的控制策略有了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

　　3、步進電機的功率驅(qū)動電路

　　要使步進電動機能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動負載工作，必須為步進電機提供足夠功率的控制信號，實現(xiàn)這一功能的電路稱為步進電動機驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進行功率放大，得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進電動機的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅(qū)動器應(yīng)使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電動機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。

　　常見的步進電動機驅(qū)動電路有二種：

　　圖4.6 步進電機驅(qū)動電路

　?。?）單電壓驅(qū)動電路

　　這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，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電動機的驅(qū)動，圖6-19所示步進電動機的一相繞組驅(qū)動電路（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，雖然VT1、管都導(dǎo)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。》0（約為0.7V），管飽和導(dǎo)通，該相繞組通電。

　?。?）雙電壓驅(qū)動電路 又稱高低壓驅(qū)動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。在步進電動機繞組剛接通時，通過高壓電源供電，以加快電流上升速度，延遲一段時間后，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（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(dǎo)通。于是在高壓電源作用下（這時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額定穩(wěn)態(tài)電流時，利用定時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)過二極管供給。當環(huán)形分配器輸出端的電壓為低電平時（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，電動機繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個很小的電阻（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，所以步進電動機的轉(zhuǎn)矩一頻率特性好，啟動和運行頻率得到很大的提高。

　　步進電機的閉環(huán)控制

　　同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(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，而且增益選擇不當時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。