步進電機控制方法與技術研究

劉海勇　趙星亮　高鵬

摘要 ：步進電機是機電一體化系統的關鍵組成部分，在計算機控制的自動系統中應用十分廣泛。在計算機技術、微電子技術快速發展的今天，對步進電機的需求越來越多，要求也越來越高，而對步進電機控制的實現直接關系其應用效果。本文簡要介紹了步進電機控制系統類型，細致分析了不同控制方式的特點與差異。

關鍵詞 ：步進電機 控制系統 控制方式

步進電機基于電磁鐵原理，能夠接收數字控制信號，是能夠實現數字模式轉化的執行元件，并可開環位置控制。作為特種電機，步進電機必須借助專用的驅動器實現工作，作為可轉換電脈沖為機械運動的設備，步進電機的數據控制性很好。隨著現代科技的發展，步進電機的控制模式已轉變為通過程序產生控制脈沖，借助軟件來完成控制，使步進電機的作用得到了更充分的發揮。

一、開環控制技術

步進電機控制方式可以分為開環控制系統、閉環控制系統和半閉環控制系統，其中半閉環控制系統通常歸類于開環或閉環系統。其中開環控制系統最為簡單，此種模式下按固定規律發出控制脈沖完成步進電機的工作，其優點是控制簡單、成本低，但由于負載位置對控制電路無反饋，要求步進電機必須能夠正確響應控制動作，否則容易出現失步問題。雖然依靠單片機和相關技術的革新，開環控制方式已能夠實現較復雜控制脈沖序列的產生，但仍存在起動受限、抗負載波動能力差、存在震蕩區等問題。開環控制模式下，步進電機起動需按一定規律逐漸升速，這需要在控制程序外添加起動速度設定，在速率變化大的場合不適用。除此之外，若負載出現沖擊轉矩，有可能出現失步或堵轉問題，因此一般適宜滿載運行。另外，這種控制方式下工作中需避開震蕩點，以免速度波動過大導致失步。開環控制低成本、易實現的特點決定了其目前仍是最主要的控制方式，但為了滿足應用場合對步進電機的要求，需要通過建立脈沖序列控制模型得到最佳控制函數，以避免失步、精度等問題。

二、閉環控制技術

閉環控制與開環控制相比，更適用于對精度要求高的應用場合，這種控制方式是在檢測出轉子或負載位置、速度后，給出反饋和處理，進而自動給出適合的驅動脈沖序列。閉環控制方式的優點在于精度要求，不足之處在于需添加檢測、反饋、控制元件，不僅增加了控制系統的成本，而且大大增加了系統的復雜性，容易出現穩定性問題。目前閉環控制方面缺少較大的技術突破，但基于堵轉檢測技術的閉環控制方式產品已得到應用，在改善步進電機精度方面效果不錯，相信閉環控制方式仍將是未來步進電機控制的主要方式之一。

三、加減速過程控制技術

加減速過程控制技術是為了應對步進電機變速時脈沖變化太快而轉子慣性作用下跟不上的問題，對步進電機升速、降速等速度變化進行控制，以免失步、超步或堵轉。步進電機轉速受脈沖頻率控制，受轉子齒數、拍數影響，在轉子齒數、拍數確定的條件下控制脈沖頻率可控制轉速。因為步進電機啟動是依靠同步力矩，為了避免失步啟動頻率通常很低，與最高頻率比甚至相差十倍以上，這要求步進電機啟動或停止時需要一個逐漸升速或降速的過程。在變速過程中，關鍵點在于變速要求的力矩能盡量利用當前運行頻率下所提供的力矩但不超過該力矩，加減速過程的時間盡量短。

國內外許多專家學者建立了許多步進電機加減速控制數學模型，并基于模型開發了控制電路來改善電機運動特性。例如指數加減速充分考慮了步進電機的矩頻特性，因此在避免失步的同時盡量縮短了變速時間，最大化發揮了電機固有特性，然而這種方法由于電機負載的變化，實現難度很大。又如線性加減速基于負載能力范圍角速度與脈沖的正比關系，排除電源電壓、負載環境等因素波動的影響，變速過程加速度恒定，比較容易實現，但由于未考慮輸出力矩隨速度變化的特性容易在高速時失步，且變速過程較長。因此，為了更好的實現縮短變速時間、避免失步或過沖的目的，還需要深入研究如何充分發揮步進電機特性，且控制方式較易實現，以提高步進電機的工作效率。

四、細分驅動控制技術

由于受步進電機制造工藝的限制，轉子齒數、拍數有限，相應的步距角固定且通常較大，步進分辨率不高，靈活性不足。因此步進電機低頻運動時會出現震動，工作噪音高于其他類型電機，物理裝置易疲勞甚至損壞。這導致步進電機一般僅適用于要求不高的工作場合，如要求較高往往只能采用閉環控制方式，而閉環控制又存在成本高、復雜性強、穩定性差的問題，限制了步進電機的廣泛應用。細分驅動控制能夠解決上述問題，通過步距角細分，提前計算細分控制電流參數，存入寄存器中由程序調用，實現了步進電機向高速、精密化領域發展。

細分驅動控制能夠顯著提高輸出轉矩，對于三相反應式電機力矩提高甚至達到40%。通過細分驅動后，步距角減小，步距均勻度提高，電機分辨率也得到提高。細分控制函數目前無法找到統一的函數表達式，通常采用近似的方法，例如驅動電流用已知的函數波形進行近似。兩相雙極型混合式步進電機通常適用正余弦形驅動電流，反應式步進電機通常采用階梯型驅動電流，但這些僅適用于對精度要求不高的工作場合。還有一種實驗逼近法，即經過多次測試不斷修正數據，最終得到較合理的階梯波，但這種方法受測量精度影響很大，且操作復雜，通常精度并不高。另外，也有借助函數模型的方法，借助試驗獲得細分波形數據，然后依靠數學處理找到細分控制模型函數，此種方法對于特定系統精度較高，但無法在多級細分控制情況下實現動態調整。

五、閉環控制光學系統實施例

本文在此給出一個應用步進電機完成閉環、細分控制的實施例，此光學系統描述如下：此光學系統為一對陣列反射鏡組，反射鏡尺寸為70*35*10，一側有5個鏡片組成陣列，分別有5組縱向調節步進電機和5組水平調整步進電機，通過步進電機調整使激光在相對兩組鏡架中實現激光往返傳輸。通過采集鏡片光斑位置，和基本位置比對后，給出調整方法和調整角度，完成閉環調節工作；因為激光總傳輸距離大于400米，步進電機控制精度要求非常高，所以步進電機的驅動必須采用大于128細分的高精度細分驅動；為了保證試驗較好的效果，有時要求以最快的速度調整好鏡片位置，所以還要采用步進電機控制的加速和減速控制技術，以滿足光學試驗的特殊需求。具體步進電機調整架的控制還要根據具體應用環境和試驗需求進行調整，在此不再贅述。

結語

綜上所述，步進電機控制技術的應用和發展已有幾十年的歷程，在不斷解決問題的過程中一步步提高性能。隨著現代科技水平的提高，各種微處理器、新型電子器件應用到步進電機控制系統中，現代智能控制理論的發展也加快了步進電機控制理論的進步。目前我國在步進電機控制方面的研究水平已處于世界先進水平，但還存在許多問題需要深化研究，找到更科學有效的方法，提高步進電機控制的智能性和實用性。

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