步进电机的开环控制和闭环控制

步进电机的开环控制和闭环控制

一、步进电机的开环掌握

1、步进电机开环伺服系统的一般构成

图1 步进电机开环伺服系统

步进电动机的电枢通断电次数和各相通电挨次打算了输出角位移和运动方向，掌握脉冲安排频率可实现步进电动机的速度掌握。因此，步进电机掌握系统一般采纳开环掌握方式。图为开环步进电动机掌握系统框图，系统主要由掌握器、功率放大器、步进电动机等组成。2、步进电机的掌握器

1、步进电机的硬件掌握

步进电动机在—个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要掌握肯定的脉冲数，即可精确掌握步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必需按肯定的挨次通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电挨次按输入脉冲的掌握而循环变化的过程称为环形脉冲安排。

实现环形安排的方法有两种。一种是计算机软件安排，采纳查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满意速度和方向要求的环形安排脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，以削减硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲安排更显示出它的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，

从而影响步进电动机的运行速度。

另一种是硬件环形安排，采纳数字电路搭建或专用的环形安排器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采纳数字电路搭建的环形安排器通常由分立元件（如触发器、规律门等）构成，特点是体积大、成本高、牢靠性差。

2、步进电机的微机掌握：

目前，伺服系统的数字掌握大都是采纳硬件与软件相结合的掌握方式，其中软件掌握方式一般是利用微机实现的。这是由于基于微机实现的数字伺服掌握器与模拟伺服掌握器相比，具有下列优点：

（1）能明显地降低掌握器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很廉价。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

（2）可显著改善掌握的牢靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。

（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。（4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采纳了一些屏蔽措施，可以避开电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此牢靠性比较高。

（5）采纳微处理机的数字掌握，使信息的双向传递力量大大增加，简单和上位系统机联运，可随时转变掌握参数。

（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的掌握算法；以满

意不同的用途。软件模块可以便利地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

（7）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级掌握的力量,使伺服系统更趋于智能化。

（8）随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法简单的掌握策略有了实现的基础。

3、步进电机的功率驱动电路

要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必需为步进电机供应足够功率的掌握信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形安排器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机掌握绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对每一相绕组来说，抱负的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。

常见的步进电动机驱动电路有二种：

图4.6 步进电机驱动电路

1）单电压驱动电路

这种电路采纳单一电源供电，结构简洁，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动，图6-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电

路相同）。

当环形安排器的脉冲输入信号为低电平（规律0，约1V）时，虽然VT1、管都导通，但只要适当选择的阻值，使0（约为-1V），那么管就处于截止状态，该相绕组断电。当输入信号为高电平3.6V（规律1）时。0（约为0.7V），管饱和导通，该相绕组通电。

2）双电压驱动电路又称凹凸压驱动电路，采纳高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，通过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善。

当环形安排器的脉冲输入信号为高电平常（要求该相绕组通电），二极管的基极都有信号电压输入，使均导通。于是在高压电源作用下（这时二极管两端承受的是反向电压，处于截止状态，可使低压电源不对绕组作用）绕组电流快速上升，电流前沿很陡。当电流达到或略微超过额定稳态电流时，利用定时电路或电流检测器等措施切断基极上的信号电压，于是截止，但此时仍旧是导通的，因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管供应。当环形安排器输出端的电压为低电平常（要求绕组断电），基极上的信号电压消逝，于是截止，绕组中的电流经二极管及电阻向高压电源放电，电流便快速下降。采纳这种凹凸压切换型电源，电动机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻（为平衡各相的电流），所以电源的功耗比较小。由于这种供压方式使电流波形得到很大改善，所以步进电动机的转矩一频率特性好，启动和运行频率得到很大的提高。

二、步进电机的闭环掌握

同开环掌握系统相比，闭环掌握具有一系列优点。在反馈掌握系统中，不管出于什么缘由（外部扰动或系统内部变化），只要被掌握量偏离规定值，就会产生相应的掌握作用去消退偏差。因此，它具有抑制干扰的力量，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的简单性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高掌握精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采纳按扰动的掌握（即前馈掌握）作为反馈掌握的补充而构成复合掌握系统。