陳洲

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

引言

目前，步進(jìn)電機(jī)控制方法通常采用兩種，閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制方法，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度和系統(tǒng)成本較高，采用模糊PID控制等策略，使用附加的編碼器實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置信息并反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)。然而隨著細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和普及，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(xiàn)象。而開(kāi)環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，大多數(shù)情況下其控制精度可以達(dá)到系統(tǒng)要求，因此，文章采用細(xì)分控制的方法將控制的PWM進(jìn)行細(xì)節(jié)控制，以達(dá)到精確控制的效果。

1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)的控制，能將電脈沖按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子器件，其旋轉(zhuǎn)的角度與輸入電脈沖的數(shù)量成正比關(guān)系，誤差比較小。常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成包含功率驅(qū)動(dòng)器和脈沖分配器，如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

步進(jìn)電機(jī)需要數(shù)字脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以不能直接在交直流電源上工作，需要采用功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備或模塊將電脈沖的功率進(jìn)行放大，以滿足步進(jìn)電機(jī)的電流要求。由此可知步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制效果不僅取決于電機(jī)的自身性能和控制方案的選擇，而且還取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的好壞，一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)器可以將電機(jī)的性能以及控制方案的優(yōu)勢(shì)都完美得實(shí)現(xiàn)。這不僅表現(xiàn)在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，還體現(xiàn)在對(duì)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)的及時(shí)制動(dòng)能力的體現(xiàn)。與此同時(shí)，一個(gè)好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以有效降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度、減小零點(diǎn)振蕩的出現(xiàn)概率和震動(dòng)幅度，進(jìn)一步提高電機(jī)的實(shí)時(shí)性能。

在數(shù)十百年的研究過(guò)程中，前人已經(jīng)研究出了非常對(duì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，但是并非都是合適的，其中使用最多的驅(qū)動(dòng)方式有變電壓脈沖驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、變頻變壓驅(qū)動(dòng)等。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式只控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流的開(kāi)斷。因此，如果轉(zhuǎn)子齒數(shù)保持不變，則只有提高分辨率才能改變繞組的相數(shù)。采用電流控制技術(shù)，能夠非常方面的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角進(jìn)行細(xì)分，就可以在原有的控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，極大的提高了步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)能力等方面的能力。

本文為實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)電流大小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到精確的程度，采用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的技術(shù)來(lái)控制最關(guān)鍵的橋中晶鬧管的關(guān)斷時(shí)間。具體的方法是使用功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)將控制端獲取來(lái)的控制脈沖先轉(zhuǎn)換或等步進(jìn)角擬正弦細(xì)分電流波形，再使用脈寬調(diào)制技術(shù)將細(xì)分電路輸出的參考電流波形轉(zhuǎn)換為波形。

2 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)

細(xì)分控制的實(shí)質(zhì)就是控制步進(jìn)電機(jī)磁場(chǎng)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)構(gòu)成均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。并由此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的矢量幅值決定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，同時(shí)其旋轉(zhuǎn)頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此可知，要控制電機(jī)就需要控制電機(jī)繞組中電流的大小、頻率，這才能使電機(jī)內(nèi)的合成磁場(chǎng)的幅值達(dá)到穩(wěn)定的控制，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩得到合理的控制，不過(guò)在細(xì)分控制中由于主要研究轉(zhuǎn)速的控制，所以一般將磁場(chǎng)的幅值設(shè)為定值，以便研究步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的均勻細(xì)分。細(xì)分控制方法是在兩相步進(jìn)電機(jī)繞組電流開(kāi)關(guān)中，代替原繞組電流直接開(kāi)關(guān)的方法，不是全部涌入或去除繞組電流，而是只改變相應(yīng)的額定繞組部分，合成電機(jī)磁勢(shì)。電機(jī)的控制脈沖每一次只是以前控制方法的一小階梯段，轉(zhuǎn)子的每一步只運(yùn)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(xì)分脈沖，右圖為細(xì)分后脈沖

3 H橋功率驅(qū)動(dòng)

由于步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是以數(shù)字方式運(yùn)行，繞組電流并非連續(xù)，相反的是在時(shí)域上是存在無(wú)數(shù)的階躍斷點(diǎn)。同時(shí)電機(jī)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(shè)置續(xù)流回路，以便將電感中的電流迅速衰減消耗，避免產(chǎn)生巨大的電涌，破壞電路及其他電器元件。而解決這個(gè)問(wèn)題的最好辦法就是采用H橋驅(qū)動(dòng)，H橋驅(qū)動(dòng)具有雙極性特點(diǎn)，可以將電機(jī)的電流及時(shí)的控制在有效的范圍，并能通過(guò)4個(gè)開(kāi)關(guān)管將控制脈沖有效的傳導(dǎo)到電機(jī)上。

4 總結(jié)

本章主要就步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)控制理論進(jìn)行闡述和分析。首先介紹兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其數(shù)學(xué)模型。其次，介紹步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制設(shè)計(jì)思想，對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)及脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行分析。最后，結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，通過(guò)研究步進(jìn)電機(jī)速度控制方法，對(duì)比其它運(yùn)行曲線發(fā)現(xiàn)拋物線形具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此結(jié)合梯形運(yùn)行曲線，推導(dǎo)了拋物線運(yùn)行曲線的算法公式。

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)可以直接使用數(shù)字脈沖進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，具體控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)力矩大，定位精度高等特點(diǎn)，是一種具有獨(dú)特有點(diǎn)的控制器件。但本身也有不少缺點(diǎn)，例如在較高轉(zhuǎn)速要求下電機(jī)容易倒轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)，失步等，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成很?chē)?yán)重的后果。合適的運(yùn)行曲線對(duì)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制性能有很大的影響。