步進電機精確控制系統設計

桑占良

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

步進電機是一種依據電脈沖信號進行運轉的高精度控制元件，被人們廣泛應用，特別適合要求響應速度快、控制精度高、運行穩定、輸出扭矩高的應用場景，其廣泛應用于各個不同領域，如計算機外圍設備、存儲設備、ATM 機、噴繪機、醫療設備、精密儀器、工業自動化控制系統、辦公自動化設備、機器人等領域，并且它的應用領域還在不斷擴大。在一些要求精度很高的場合，為了實現其控制優勢，需對步進電機進行精確控制，因此步進電機精確控制系統的設計研究顯得尤為重要。

1 步進電機的結構及工作原理

步進電機根據結構形式不同可分為反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機等。

步進電機是通過不斷改變定子繞組的通電狀態來運轉的，步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態，轉子移動一個步距角。轉子步距角為式中m為定子相數，Z為轉子齒數，C為通電方式。通過控制輸入步進電機的脈沖數可以控制步進電機的角位移Φ=Nθ，控制輸入步進電機的脈沖頻率可以控制步進電機的轉速通過調整電機繞組通電順序可以控制電機的轉向。步進電機轉矩為其中T為轉矩，F為扭力，R為作用半徑，V為轉速，P為功率。

以四相反應式步進電機為例說明步進電機的結構和基本工作原理。四相步進電機采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序供電，步進電機就能按照供電時序步進轉動。四相反應式步進電機工作原理如圖1所示。

最初，開關SB閉合時，接通直流電源，斷開SA、SC和SD開關，此時B 相磁極與轉子0、3 號齒對正，同時，C、D 相繞組磁極和轉子的1、4 號齒產生錯齒，A、D 相繞組磁極就和轉子的2、5 號齒產生錯齒。當開關SC接通直流電源，而SA、SB和SD開關斷開時，由于C 相繞組和1、4 號齒之間磁力線的相互作用，使轉子轉動一定角度，C 相繞組的磁極與1、4 號齒對齊。而A、B 相繞組與轉子的0、3 號齒產生錯齒，A、D 相繞組磁極就與2、5 號齒產生錯齒。依次類推，給A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉子會以步進方式進行轉動。

圖1 四相反應式步進電機工作原理示意圖

四相步進電機按照通電時序的不同，可分為單四拍、雙四拍和八拍三種類型工作方式。雙四拍與單四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是雙四拍與單四拍的一半，因此步進電機八拍工作方式不僅可以保持較高的轉動力矩，而且可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍三種工作方式的供電時序與波形分別如圖2 中（a）（b）（c）所示。

圖2 步進電機工作時序波形圖

2 步進電機的控制

一般采用開環控制和閉環控制兩種控制方式控制步進電動機。其中開環控制是最簡單的控制方式，步進電機控制脈沖的輸入并不依賴于轉子的位移狀態，而是按照某一固定的規律發出控制脈沖，步進電機僅依靠這一系列既定的脈沖而工作。

開環控制原理如圖3 所示。

圖3 步進電機開環控制原理圖

步進電機開環控制具有控制精度不高，有時還會發生失步和震蕩現象等缺點，因此要想精確控制步進電機，可采用閉環控制方式。閉環控制指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。步進電動機的閉環控制是采用位置反饋和（或）速度反饋來確定與轉子位置相適應的供電時序，可顯著改進步進電動機的性能。

步進電機閉環控制原理如圖4 所示。

圖4 步進電機閉環控制原理圖

閉環控制是直接或間接地檢測轉子的位置或速度，然后將檢測到的信號反饋到輸入端并配以適當的算法處理，自動地給出步進電機的驅動脈沖序列，這個驅動脈沖序列是根據轉子的位置而隨時變化的，結合微型計算機控制技術及驅動技術，再配以合適的軟件算法，即可以實現很高的控制精度要求。

3 步進電機控制系統設計

3.1 硬件設計

典型的步進電機控制系統一般采用模塊化設計，可分為步進電機控制器、步進電機驅動器、步進電機、外圍電路以及人機接口五部分，如圖5 所示。微處理器通過PWM 輸出控制脈沖，經過驅動器給步進電機驅動信號，步進電機的轉子的位置通過傳感器反饋到微處理器的輸入口，控制處理器實時采集步進電機的實際工作狀態，通過閉環控制算法對步進電機進行精確控制。

3.2 軟件設計

主程序流程如圖6 所示。

步進電機控制程序流程如圖7 所示。

部分電機驅動程序如下：

圖5 控制系統硬件設計

圖6 主程序框架流程圖

圖7 電機控制框架流程圖

在步進電機閉環控制過程中，處理器讀取電機的控制命令參數，可以是本地存儲的參數，也可以是上位機發送的參數，然后讀取傳感器反饋的實際狀態參數，得出當前實際狀態參數與目標狀態參數的偏差，如偏差為零，則鎖定目前電機的狀態，如偏差不為零，通過PID 運算控制PWM 的輸出，精確控制步進電機的運轉。有時為了提高響應速度也可采用PID 控制算法。

4 結束語

本文介紹了步進電機精確控制工作原理以及應用，給出了步進電機精確控制的硬件原理框圖和程序流程圖。基于PID 算法的閉環控制方法解決了步進電機開環控制過程中失步和過沖現象。PID 控制方法簡單，控制效果良好。閉環PID 控制方法能夠實現對步進電機的精確控制。