步进电动机数字伺服控制系统的设计

柏忠梅

摘 要 步进电机结构简单，速度控制比较容易实现，具有较高的精度，可以实现高精度的开环定位控制。这种运行方式的控制电路简单经济，不需要位置检测元器件，是一种实用的进给数字侍服系统，只要静态和动态性能满足要求，就应该首先考虑采用这种系统。但在大负载或高速的情况下，这种系统可能会产生失步或精度不够的问题，文章介绍两种数字侍服系统可以解决这些问题。

关键词 步进电动机 数字侍服系统 光电编码器

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A

The Design of Stepper Motor Digital Servo Control System

PAI Zhongmei

(Jiangsu Wuxi Technician School, Wuxi, Jiangsu 214000)

Abstract The stepper motor has simple structure, and speed control is relatively easy to implement, with high precision, can achieve high-precision open-loop positioning control. The control circuit of this operation mode is simple economic, do not need to position detection components, is a practical digital servo feed system, as long as the static and dynamic performance to meet the requirements, should first consider using this system. But in large load or high-speed, this system may be out of step or lack of precision, this paper introduces two digital servo systems which can solve these problems.

Key words stepper motor; digital servo system; optical encoder

1 反馈补偿式步进电动机进给数字侍服控制系统

步进电动机的转动能跟随每一个指令脉冲，在运行结束时所走的总行程正好等于输出脉冲的个数乘以步距。然而，由于开环控制没有位置反馈检测，导致无法知道是否丢失了脉冲；另外，电动机的响应速度受负载大小的影响，所以，步进电动机的开环控制性能受到了一些限制。由于上述原因，近年来出现了反馈补偿式步进电动机侍服系统。这种系统基本上解决了步进电动机丢失脉冲的问题，图1所示是反馈补偿式步进电动机进给侍服系统的结构框图。步进电机将所给的电脉冲信号转变成角位移或线位移，而环形分配器则按规定的方式将电脉冲信号分配给步进电机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组在电脉冲信号的控制下工作。脉冲功率放大器能实现电机的功率驱动、电流控制及多种保护功能。该电路与开环系统不同的是，这里在步进电机的轴上安装了脉冲编码器，脉冲编码器将步进电动机的转动转换成脉冲输出，输出脉冲被送到反馈处理电路中。指令脉冲和反馈脉冲均送入补偿控制器中进行比较，补偿控制器根据指令脉冲和反馈脉冲之差向后面的环形脉冲分配器发出脉冲，以驱动步进电动机运转。补偿控制器是整个系统的核心。这里需要指出的是反馈处理电路有两个作用：

（1）由于脉冲编码器每转一周输出的脉冲个数与步进电动机每转一周所走过的步数不一定一样，所以需要反馈处理电路起适配的作用。

（2）反馈处理电路应当将脉冲编码器的输出脉冲转换成正、反转反馈计数脉冲。与反馈脉冲一样，指令脉冲也有正转和反转两个通道。

图1 反馈补偿式步进电动机进给数字侍服控制系统

2 带光电编码盘的直流伺服速度控制系统

图2是传统的直流伺服速度控制系统，该系统的缺点是：当步进电动机运转一段时间以后，随着工作时间加长电动机的温度会不断的上升，而反馈元器件——测速发电动机，与步进电动机同轴连接，导致测速电动机温度也会随之上升。测速发电机的转子线圈切割磁力线产生电动势，其值为

=

式中 ——测速发电机的输出电动势

——电势系数

图2 传统直流伺服速度控制系统原理框图

图3 采用光电编码器的直流伺服速度控制系统原理框图

在通常情况下，是个常数，测速电动机所产生的电动势与转速。成正比。实际工作中，电动机工作后温度会有所上升，也会随之发生变化，一般情况是下降的。由于变小，所以也随之变小。但此时电动机转速却并没有下降，通过转换，反馈到速度环的电压△会上升，使电动机的转速上升，通过公式 = 可知，电动势会随之上升，从而达到△维持不变。可是，给定值不变但电机的实际转速在慢慢上升，这势必引起电动机转速误差的增大。我们根据实际的测量，一般来说电动机温度每上升100℃，电动机转速的误差就会相应的增大1%~3%。所以该系统虽能满足控制精度较低的产品的需求，但对于控制精度要求高的场合就不适用了。

为了提高电动机的控制精度，这里在电路中增加光电编码器，它与电动机同轴安装，可以输出与电机转速成正比的输出的脉冲信号频率，该脉冲频率通过F/V（频压）转换为反映转速高低的模拟信号。模拟信号与给定的信号比较，就可以准确测出电动机的转速（如图3）。

步进电机是一种离散运动控制装置，通过以上两种方法，可以步进电机的控制精度，使其更加适应数字伺服系统的发展。

参考文献

[1] 贺昱曜.运动控制系统.西安电子科技大学出版社.

[2] 陆敦民,王克义,崔洪斌.机电传动及控制.

[3] 卢志刚,吴杰,吴潮.数字伺服控制系统与设计.机械工业出版社.