步進電機的功能模塊設(shè)計，步進電機的控制與測速方法

　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

　　步進電機的功能模塊設(shè)計

　　本模塊可分為如下3個部分：

　　· 單片機系統(tǒng)：控制步進電動機；

　　· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；

　　· PIC程序：編寫單片機控制步進電功機的接口程序，實現(xiàn)三角波信號的輸出功能。

　?。?）步進電動機與單片機的接口

　　單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。

　?、匐妷焊綦x功能。

　　單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。

　?、谛畔鬟f功能。

　　接口部件應(yīng)能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。

　　③產(chǎn)生所需的不同頻率。

　　為了使步進電機以不同的速度工作，以適應(yīng)不同的目的，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。

　?。?）電壓隔離接口

　　電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅(qū)動電路，以保證它們的正常工作。

　　電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅(qū)動光電耦合器件的發(fā)光二極管。

　　發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號，再去驅(qū)動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動電流。

　　（3）工作方式接口和頻率發(fā)生器

　　用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。

　　步進電機的控制

　　步進電機的開環(huán)控制

　　1、步進電機的硬件控制

　?。?）脈沖分配器

　　當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

　　當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

　　（2）加、減速控制：

　?。?）功率放大器

　　將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。

　　2.步進電機的微機控制：

　　目前，伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點：

　?。?）能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點。

　?。?）可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。

　?。?）數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。

　?。?）硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。

　　（5）采用微處理機的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統(tǒng)機聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù)。

　　（6）可以設(shè)計適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，其中軟件可以模塊化設(shè)計，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統(tǒng)變化時徹底更新。

　?。?）提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力，使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。

　?。?）隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的控制策略有了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

　　步進電機的閉環(huán)控制

　　步進電機的控制策略

　　1 PID 控制

　　PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 ， 在步進電機驅(qū)動中獲得了廣泛的應(yīng)用。它根據(jù)給定值 r（ t） 與實際輸出值 c（t） 構(gòu)成控制偏差 e（ t） ， 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量 ，對被控對象進行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中 ，以位置檢測器和矢量控制為基礎(chǔ) ，設(shè)計出了一個可自動調(diào)節(jié)的 PI 速度控制器 ，此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態(tài)特性 。文獻根據(jù)步進電機的數(shù)學模型 ，設(shè)計了步進電機的 PID 控制系統(tǒng) ，采用 PID 控制算法得到控制量 ，從而控制電機向指定位置運動 。最后 ，通過仿真驗證了該控制具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性 。采用 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單 、魯棒性強 、可靠性高等優(yōu)點 ，但是它無法有效應(yīng)對系統(tǒng)中的不確定信息 。［2］

　　目前 ， PID 控制更多的是與其他控制策略相結(jié)合 ， 形成帶有智能的新型復(fù)合控制 。這種智能復(fù)合型控制具有自學習 、自適應(yīng) 、自組織的能力 ，能夠自動辨識被控過程參數(shù) ， 自動整定控制參數(shù) ， 適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化 ，同時又具有常規(guī) PID 控制器的特點。［2］

　　2 自適應(yīng)控制

　　自適應(yīng)控制是在 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的自動控制領(lǐng)域的一個分支 。它是隨著控制對象的復(fù)雜化 ，當動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預(yù)測的變化時 ，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的 。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應(yīng)速度快 ，能有效地克服電機模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響 ，是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據(jù)步進電機的線性或近似線性模型推導(dǎo)出了全局穩(wěn)定的自適應(yīng)控制算法 ， 這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數(shù) 。文獻將閉環(huán)反饋控制與自適應(yīng)控制結(jié)合來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度 ， 通過反饋和自適應(yīng)處理 ，按照優(yōu)化的升降運行曲線 ， 自動地發(fā)出驅(qū)動的脈沖串 ，提高了電機的拖動力矩特性 ，同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速 。

　　目前 ，很多學者將自適應(yīng)控制與其他控制方法相結(jié)合 ，以解決單純自適應(yīng)控制的不足。文獻設(shè)計的魯棒自適應(yīng)低速伺服控制器 ，確保了轉(zhuǎn)動脈矩的最大化補償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實現(xiàn)的自適應(yīng)模糊 PID 控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化 ， 通過模糊推理在線調(diào)整 PID參數(shù) ，實現(xiàn)對步進電機的自適應(yīng)控制 ， 從而有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間 、計算精度和抗干擾性 。

　　3 矢量控制

　　矢量控制是現(xiàn)代電機高性能控制的理論基礎(chǔ) ，可以改善電機的轉(zhuǎn)矩控制性能 。它通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯畲欧至亢娃D(zhuǎn)矩分量分別加以控制 ，從而獲得良好的解耦特性 ，因此 ， 矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ，又需要控制電流的相位 。由于步進電機不僅存在主電磁轉(zhuǎn)矩 ， 還有由于雙凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩 ， 且內(nèi)部磁場結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 非線性較一般電機嚴重得多 ， 所以它的矢量控制也較為復(fù)雜 。文獻［ 8］ 推導(dǎo)出了二相混合式步進電機 d-q 軸數(shù)學模型 ，以轉(zhuǎn)子永磁磁鏈為定向坐標系 ，令直軸電流 id =0 ，電動機電磁轉(zhuǎn)矩與 i q 成正比 ， 用PC 機實現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng) 。系統(tǒng)中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置 ，用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文獻推導(dǎo)出基于磁網(wǎng)絡(luò)的二相混合式步進電機模型 ， 給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制策略對系統(tǒng)中的不確定因素進行實時補償 ，通過最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實現(xiàn)電機的高效控制 。［2］

　　4 智能控制的應(yīng)用

　　智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)學模型 ，只按實際效果進行控制 ， 在控制中有能力考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性 ， 突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學模型的框架 。目前 ， 智能控制在步進電機系統(tǒng)中應(yīng)用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能控制的集成 。

　　4 .1 模糊控制

　　模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎(chǔ)上 ，運用模糊控制器的近似推理等手段 ，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結(jié)果的控制方式 ， 模糊控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域 。與常規(guī)控制相比 ，模糊控制無須精確的數(shù)學模型 ， 具有較強的魯棒性 、自適應(yīng)性 ， 因此適用于非線性 、時變 、時滯系統(tǒng)的控制 。文獻［ 16］ 給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應(yīng)用實例 。系統(tǒng)為超前角控制 ，設(shè)計無需數(shù)學模型 ，速度響應(yīng)時間短 。

　　4 .2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓撲結(jié)構(gòu)和學習調(diào)整的方法 。它可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ，能夠?qū)W習和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng) ，具有很強的魯棒性和容錯性 ，因而在步進電機系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 。文獻將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)步進電機最佳細分電流 ， 在學習中使用 Bay es 正則化算法 ，使用權(quán)值調(diào)整技術(shù)避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小點 ，有效解決了等步距角細分問題 。

　　步進電機的測速方法

　　步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

　　一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。

　　二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。

　　三是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。測速電機是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過測速電機所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來達到控制直流電機轉(zhuǎn)速的目的。