步进电机控制方法与技术研究

刘海勇　赵星亮　高鹏

摘要 ：步进电机是机电一体化系统的关键组成部分，在计算机控制的自动系统中应用十分广泛。在计算机技术、微电子技术快速发展的今天，对步进电机的需求越来越多，要求也越来越高，而对步进电机控制的实现直接关系其应用效果。本文简要介绍了步进电机控制系统类型，细致分析了不同控制方式的特点与差异。

关键词 ：步进电机 控制系统 控制方式

步进电机基于电磁铁原理，能够接收数字控制信号，是能够实现数字模式转化的执行元件，并可开环位置控制。作为特种电机，步进电机必须借助专用的驱动器实现工作，作为可转换电脉冲为机械运动的设备，步进电机的数据控制性很好。随着现代科技的发展，步进电机的控制模式已转变为通过程序产生控制脉冲，借助软件来完成控制，使步进电机的作用得到了更充分的发挥。

一、开环控制技术

步进电机控制方式可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统，其中半闭环控制系统通常归类于开环或闭环系统。其中开环控制系统最为简单，此种模式下按固定规律发出控制脈冲完成步进电机的工作，其优点是控制简单、成本低，但由于负载位置对控制电路无反馈，要求步进电机必须能够正确响应控制动作，否则容易出现失步问题。虽然依靠单片机和相关技术的革新，开环控制方式已能够实现较复杂控制脉冲序列的产生，但仍存在起动受限、抗负载波动能力差、存在震荡区等问题。开环控制模式下，步进电机起动需按一定规律逐渐升速，这需要在控制程序外添加起动速度设定，在速率变化大的场合不适用。除此之外，若负载出现冲击转矩，有可能出现失步或堵转问题，因此一般适宜满载运行。另外，这种控制方式下工作中需避开震荡点，以免速度波动过大导致失步。开环控制低成本、易实现的特点决定了其目前仍是最主要的控制方式，但为了满足应用场合对步进电机的要求，需要通过建立脉冲序列控制模型得到最佳控制函数，以避免失步、精度等问题。

二、闭环控制技术

闭环控制与开环控制相比，更适用于对精度要求高的应用场合，这种控制方式是在检测出转子或负载位置、速度后，给出反馈和处理，进而自动给出适合的驱动脉冲序列。闭环控制方式的优点在于精度要求，不足之处在于需添加检测、反馈、控制元件，不仅增加了控制系统的成本，而且大大增加了系统的复杂性，容易出现稳定性问题。目前闭环控制方面缺少较大的技术突破，但基于堵转检测技术的闭环控制方式产品已得到应用，在改善步进电机精度方面效果不错，相信闭环控制方式仍将是未来步进电机控制的主要方式之一。

三、加减速过程控制技术

加减速过程控制技术是为了应对步进电机变速时脉冲变化太快而转子惯性作用下跟不上的问题，对步进电机升速、降速等速度变化进行控制，以免失步、超步或堵转。步进电机转速受脉冲频率控制，受转子齿数、拍数影响，在转子齿数、拍数确定的条件下控制脉冲频率可控制转速。因为步进电机启动是依靠同步力矩，为了避免失步启动频率通常很低，与最高频率比甚至相差十倍以上，这要求步进电机启动或停止时需要一个逐渐升速或降速的过程。在变速过程中，关键点在于变速要求的力矩能尽量利用当前运行频率下所提供的力矩但不超过该力矩，加减速过程的时间尽量短。

国内外许多专家学者建立了许多步进电机加减速控制数学模型，并基于模型开发了控制电路来改善电机运动特性。例如指数加减速充分考虑了步进电机的矩频特性，因此在避免失步的同时尽量缩短了变速时间，最大化发挥了电机固有特性，然而这种方法由于电机负载的变化，实现难度很大。又如线性加减速基于负载能力范围角速度与脉冲的正比关系，排除电源电压、负载环境等因素波动的影响，变速过程加速度恒定，比较容易实现，但由于未考虑输出力矩随速度变化的特性容易在高速时失步，且变速过程较长。因此，为了更好的实现缩短变速时间、避免失步或过冲的目的，还需要深入研究如何充分发挥步进电机特性，且控制方式较易实现，以提高步进电机的工作效率。

四、细分驱动控制技术

由于受步进电机制造工艺的限制，转子齿数、拍数有限，相应的步距角固定且通常较大，步进分辨率不高，灵活性不足。因此步进电机低频运动时会出现震动，工作噪音高于其他类型电机，物理装置易疲劳甚至损坏。这导致步进电机一般仅适用于要求不高的工作场合，如要求较高往往只能采用闭环控制方式，而闭环控制又存在成本高、复杂性强、稳定性差的问题，限制了步进电机的广泛应用。细分驱动控制能够解决上述问题，通过步距角细分，提前计算细分控制电流参数，存入寄存器中由程序调用，实现了步进电机向高速、精密化领域发展。

细分驱动控制能够显著提高输出转矩，对于三相反应式电机力矩提高甚至达到40%。通过细分驱动后，步距角减小，步距均匀度提高，电机分辨率也得到提高。细分控制函数目前无法找到统一的函数表达式，通常采用近似的方法，例如驱动电流用已知的函数波形进行近似。两相双极型混合式步进电机通常适用正余弦形驱动电流，反应式步进电机通常采用阶梯型驱动电流，但这些仅适用于对精度要求不高的工作场合。还有一种实验逼近法，即经过多次测试不断修正数据，最终得到较合理的阶梯波，但这种方法受测量精度影响很大，且操作复杂，通常精度并不高。另外，也有借助函数模型的方法，借助试验获得细分波形数据，然后依靠数学处理找到细分控制模型函数，此种方法对于特定系统精度较高，但无法在多级细分控制情况下实现动态调整。

五、闭环控制光学系统实施例

本文在此给出一个应用步进电机完成闭环、细分控制的实施例，此光学系统描述如下：此光学系统为一对阵列反射镜组，反射镜尺寸为70*35*10，一侧有5个镜片组成阵列，分别有5组纵向调节步进电机和5组水平调整步进电机，通过步进电机调整使激光在相对两组镜架中实现激光往返传输。通过采集镜片光斑位置，和基本位置比对后，给出调整方法和调整角度，完成闭环调节工作；因为激光总传输距离大于400米，步进电机控制精度要求非常高，所以步进电机的驱动必须采用大于128细分的高精度细分驱动；为了保证试验较好的效果，有时要求以最快的速度调整好镜片位置，所以还要采用步进电机控制的加速和减速控制技术，以满足光学试验的特殊需求。具体步进电机调整架的控制还要根据具体应用环境和试验需求进行调整，在此不再赘述。

结语

综上所述，步进电机控制技术的应用和发展已有几十年的历程，在不断解决问题的过程中一步步提高性能。随着现代科技水平的提高，各种微处理器、新型电子器件应用到步进电机控制系统中，现代智能控制理论的发展也加快了步进电机控制理论的进步。目前我国在步进电机控制方面的研究水平已处于世界先进水平，但还存在许多问题需要深化研究，找到更科学有效的方法，提高步进电机控制的智能性和实用性。

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