基于步進電機的細分控制

陳洲

(西南石油大學，四川 成都 610500)

引言

目前，步進電機控制方法通常采用兩種，閉環控制和開環控制。步進電機的閉環控制方法，其實現復雜程度和系統成本較高，采用模糊PID控制等策略，使用附加的編碼器實時采集電機轉軸位置信息并反饋給控制系統形成閉環。然而隨著細分驅動技術的發展和普及，電機的輸出轉速與控制脈沖頻率的同步性不斷提高，再選擇合適的控制算法，可以有效地避免失步、振蕩等現象。而開環控制技術實現簡單，大多數情況下其控制精度可以達到系統要求，因此，文章采用細分控制的方法將控制的PWM進行細節控制，以達到精確控制的效果。

1 步進電機控制系統

步進電機受脈沖信號的控制，能將電脈沖按照一定的規律轉換為旋轉運動的電子器件，其旋轉的角度與輸入電脈沖的數量成正比關系，誤差比較小。常見的步進電機控制系統的構成包含功率驅動器和脈沖分配器，如圖1所示。

圖1 步進電機控制系統結構框圖

步進電機需要數字脈沖作為驅動信號，所以不能直接在交直流電源上工作，需要采用功率驅動設備或模塊將電脈沖的功率進行放大，以滿足步進電機的電流要求。由此可知步進電機控制系統的控制效果不僅取決于電機的自身性能和控制方案的選擇，而且還取決于電機驅動能力的好壞，一個驅動能力優異的驅動器可以將電機的性能以及控制方案的優勢都完美得實現。這不僅表現在對電機的轉速的控制，還體現在對電機的最大轉矩以及電機的及時制動能力的體現。與此同時，一個好的電機驅動可以有效降低系統的響應速度、減小零點振蕩的出現概率和震動幅度，進一步提高電機的實時性能。

在數十百年的研究過程中，前人已經研究出了非常對的步進電機驅動方案，但是并非都是合適的，其中使用最多的驅動方式有變電壓脈沖驅動、恒流斬波驅動、細分驅動、變頻變壓驅動等。

傳統的驅動方式只控制步進電機繞組電流的開斷。因此，如果轉子齒數保持不變，則只有提高分辨率才能改變繞組的相數。采用電流控制技術，能夠非常方面的對步進電機的步進角進行細分，就可以在原有的控制基礎上實現步進電機的細分控制，極大的提高了步進電機的輸出轉速、輸出轉矩、制動能力等方面的能力。

本文為實現控制步進電機電流大小，驅動電機轉動達到精確的程度，采用了細分驅動的技術來控制最關鍵的橋中晶鬧管的關斷時間。具體的方法是使用功率驅動技術將控制端獲取來的控制脈沖先轉換或等步進角擬正弦細分電流波形，再使用脈寬調制技術將細分電路輸出的參考電流波形轉換為波形。

2 步進電機的細分驅動

細分控制的實質就是控制步進電機磁場繞組中的電流，使步進電機內部的合成磁場構成均勻的圓形旋轉磁場。并由此旋轉磁場的矢量幅值決定電機的轉矩大小，同時其旋轉頻率決定電機的轉速。由此可知，要控制電機就需要控制電機繞組中電流的大小、頻率，這才能使電機內的合成磁場的幅值達到穩定的控制，使得電機的轉矩得到合理的控制，不過在細分控制中由于主要研究轉速的控制，所以一般將磁場的幅值設為定值，以便研究步進電機恒轉矩的均勻細分。細分控制方法是在兩相步進電機繞組電流開關中，代替原繞組電流直接開關的方法，不是全部涌入或去除繞組電流，而是只改變相應的額定繞組部分，合成電機磁勢。電機的控制脈沖每一次只是以前控制方法的一小階梯段，轉子的每一步只運行一部分階梯段。在這種情況下，繞組電流不是方波，而是階躍波。這兩種方式的工作波形如圖2所示

圖2 左圖為未細分脈沖，右圖為細分后脈沖

3 H橋功率驅動

由于步進電機各相繞組都是以數字方式運行，繞組電流并非連續，相反的是在時域上是存在無數的階躍斷點。同時電機是由電感組成的，而電感中的電流是不可能瞬間變化為0，所以就需要在電路中設置續流回路，以便將電感中的電流迅速衰減消耗，避免產生巨大的電涌，破壞電路及其他電器元件。而解決這個問題的最好辦法就是采用H橋驅動，H橋驅動具有雙極性特點，可以將電機的電流及時的控制在有效的范圍，并能通過4個開關管將控制脈沖有效的傳導到電機上。

4 總結

本章主要就步進電機控制系統的基礎知識和相關控制理論進行闡述和分析。首先介紹兩相混合式步進電機的基本結構和工作原理，并簡要說明其數學模型。其次，介紹步進電機細分控制設計思想，對步進電機細分驅動技術及脈寬調制技術進行分析。最后，結合相關系統的應用需求，通過研究步進電機速度控制方法，對比其它運行曲線發現拋物線形具有明顯優勢，因此結合梯形運行曲線，推導了拋物線運行曲線的算法公式。

兩相混合式步進電機可以直接使用數字脈沖進行開環控制，具體控制簡單，動態力矩大，定位精度高等特點，是一種具有獨特有點的控制器件。但本身也有不少缺點，例如在較高轉速要求下電機容易倒轉，堵轉，失步等，對系統的運行造成很嚴重的后果。合適的運行曲線對步進電機的開環控制性能有很大的影響。