步進(jìn)電機(jī)的功能模塊設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)的控制與測速方法

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

　　步進(jìn)電機(jī)的功能模塊設(shè)計(jì)

　　本模塊可分為如下3個(gè)部分：

　　· 單片機(jī)系統(tǒng)：控制步進(jìn)電動機(jī)；

　　· 外圍電路：PIC單片機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的接口電路；

　　· PIC程序：編寫單片機(jī)控制步進(jìn)電功機(jī)的接口程序，實(shí)現(xiàn)三角波信號的輸出功能。

　?。?）步進(jìn)電動機(jī)與單片機(jī)的接口

　　單片機(jī)是性能極佳的控制處理器，在控制步進(jìn)電機(jī)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(jī)工作在5V，而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓串到單片機(jī)中，就會損壞單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的信號會干擾單片機(jī)，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)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(yīng)能夠把單片機(jī)的控制信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。

　　③產(chǎn)生所需的不同頻率。

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

　?。?）電壓隔離接口

　　電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機(jī)和高壓部分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，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(jī)輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅(qū)動光電耦合器件的發(fā)光二極管。

　　發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號，再去驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路，電流放大接口是步進(jìn)電機(jī)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(qū)動電流。

　?。?）工作方式接口和頻率發(fā)生器

　　用單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行控制，這時(shí)，單片機(jī)用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進(jìn)電動機(jī)的三相。

　　步進(jìn)電機(jī)的控制

　　步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制

　　1、步進(jìn)電機(jī)的硬件控制

　　（1）脈沖分配器

　　當(dāng)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(dāng)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機(jī)的定子繞組供電，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。

　　2.步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)榛谖C(jī)實(shí)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(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(jī)不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi)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(diǎn)。

　?。?）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(shí)（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。

　　（4）硬件電路易標(biāo)準(zhǔn)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。

　　（5）采用微處理機(jī)的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，容易和上位系統(tǒng)機(jī)聯(lián)運(yùn)，可隨時(shí)改變控制參數(shù)。

　　（6）可以設(shè)計(jì)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(jì)，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(dāng)實(shí)際系統(tǒng)變化時(shí)徹底更新。

　?。?）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。

　?。?）隨著微機(jī)芯片運(yùn)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

　　步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制

　　步進(jìn)電機(jī)的控制策略

　　1 PID 控制

　　PID 控制作為一種簡單而實(shí)用的控制方法 ， 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動中獲得了廣泛的應(yīng)用。它根據(jù)給定值 r（ t） 與實(shí)際輸出值 c（t） 構(gòu)成控制偏差 e（ t） ， 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量 ，對被控對象進(jìn)行控制 。文獻(xiàn)將集成位置傳感器用于二相混合式步進(jìn)電機(jī)中 ，以位置檢測器和矢量控制為基礎(chǔ) ，設(shè)計(jì)出了一個(gè)可自動調(diào)節(jié)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意的瞬態(tài)特性 。文獻(xiàn)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的 PID 控制系統(tǒng) ，采用 PID 控制算法得到控制量 ，從而控制電機(jī)向指定位置運(yùn)動 。最后 ，通過仿真驗(yàn)證了該控制具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性 。采用 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單 、魯棒性強(qiáng) 、可靠性高等優(yōu)點(diǎn) ，但是它無法有效應(yīng)對系統(tǒng)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(jié)合 ， 形成帶有智能的新型復(fù)合控制 。這種智能復(fù)合型控制具有自學(xué)習(xí) 、自適應(yīng) 、自組織的能力 ，能夠自動辨識被控過程參數(shù) ， 自動整定控制參數(shù) ， 適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化 ，同時(shí)又具有常規(guī) PID 控制器的特點(diǎn)。［2］

　　2 自適應(yīng)控制

　　自適應(yīng)控制是在 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的自動控制領(lǐng)域的一個(gè)分支 。它是隨著控制對象的復(fù)雜化 ，當(dāng)動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預(yù)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(xiàn)和自適應(yīng)速度快 ，能有效地克服電機(jī)模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響 ，是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻(xiàn)研究者根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的線性或近似線性模型推導(dǎo)出了全局穩(wěn)定的自適應(yīng)控制算法 ， 這些控制算法都嚴(yán)重依賴于電機(jī)模型參數(shù) 。文獻(xiàn)將閉環(huán)反饋控制與自適應(yīng)控制結(jié)合來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度 ， 通過反饋和自適應(yīng)處理 ，按照優(yōu)化的升降運(yùn)行曲線 ， 自動地發(fā)出驅(qū)動的脈沖串 ，提高了電機(jī)的拖動力矩特性 ，同時(shí)使電機(jī)獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速 。

　　目前 ，很多學(xué)者將自適應(yīng)控制與其他控制方法相結(jié)合 ，以解決單純自適應(yīng)控制的不足。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的魯棒自適應(yīng)低速伺服控制器 ，確保了轉(zhuǎn)動脈矩的最大化補(bǔ)償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)模糊 PID 控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化 ， 通過模糊推理在線調(diào)整 PID參數(shù) ，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的自適應(yīng)控制 ， 從而有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間 、計(jì)算精度和抗干擾性 。

　　3 矢量控制

　　矢量控制是現(xiàn)代電機(jī)高性能控制的理論基礎(chǔ) ，可以改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能 。它通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯?lì)磁分量和轉(zhuǎn)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(jī)不僅存在主電磁轉(zhuǎn)矩 ， 還有由于雙凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩 ， 且內(nèi)部磁場結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 非線性較一般電機(jī)嚴(yán)重得多 ， 所以它的矢量控制也較為復(fù)雜 。文獻(xiàn)［ 8］ 推導(dǎo)出了二相混合式步進(jìn)電機(jī) d-q 軸數(shù)學(xué)模型 ，以轉(zhuǎn)子永磁磁鏈為定向坐標(biāo)系 ，令直軸電流 id =0 ，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與 i q 成正比 ， 用PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng) 。系統(tǒng)中使用傳感器檢測電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置 ，用 PWM 方式控制電機(jī)繞組電流 。文獻(xiàn)推導(dǎo)出基于磁網(wǎng)絡(luò)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)模型 ， 給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制策略對系統(tǒng)中的不確定因素進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償 ，通過最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效控制 。［2］

　　4 智能控制的應(yīng)用

　　智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)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(tǒng)的不確定性和精確性 ， 突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學(xué)模型的框架 。目前 ， 智能控制在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)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(chǔ)上 ，運(yùn)用模糊控制器的近似推理等手段 ，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結(jié)果的控制方式 ， 模糊控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域 。與常規(guī)控制相比 ，模糊控制無須精確的數(shù)學(xué)模型 ， 具有較強(qiáng)的魯棒性 、自適應(yīng)性 ， 因此適用于非線性 、時(shí)變 、時(shí)滯系統(tǒng)的控制 。文獻(xiàn)［ 16］ 給出了模糊控制在二相混合式步進(jìn)電機(jī)速度控制中應(yīng)用實(shí)例 。系統(tǒng)為超前角控制 ，設(shè)計(jì)無需數(shù)學(xué)模型 ，速度響應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)調(diào)整的方法 。它可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ，能夠?qū)W習(xí)和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng) ，具有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性 ，因而在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 。文獻(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)最佳細(xì)分電流 ， 在學(xué)習(xí)中使用 Bay es 正則化算法 ，使用權(quán)值調(diào)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(xì)分問題 。

　　步進(jìn)電機(jī)的測速方法

　　步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

　　一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會出現(xiàn)速度下降的情況，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)對速度和位置都有嚴(yán)格要求。

　　二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。

　　三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。測速電機(jī)是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)，在普通直流電機(jī)的尾端安裝測速電機(jī)，通過測速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。