基于步进电机的细分控制

陈洲

(西南石油大学，四川 成都 610500)

引言

目前，步进电机控制方法通常采用两种，闭环控制和开环控制。步进电机的闭环控制方法，其实现复杂程度和系统成本较高，采用模糊PID控制等策略，使用附加的编码器实时采集电机转轴位置信息并反馈给控制系统形成闭环。然而随着细分驱动技术的发展和普及，电机的输出转速与控制脉冲频率的同步性不断提高，再选择合适的控制算法，可以有效地避免失步、振荡等现象。而开环控制技术实现简单，大多数情况下其控制精度可以达到系统要求，因此，文章采用细分控制的方法将控制的PWM进行细节控制，以达到精确控制的效果。

1 步进电机控制系统

步进电机受脉冲信号的控制，能将电脉冲按照一定的规律转换为旋转运动的电子器件，其旋转的角度与输入电脉冲的数量成正比关系，误差比较小。常见的步进电机控制系统的构成包含功率驱动器和脉冲分配器，如图1所示。

图1 步进电机控制系统结构框图

步进电机需要数字脉冲作为驱动信号，所以不能直接在交直流电源上工作，需要采用功率驱动设备或模块将电脉冲的功率进行放大，以满足步进电机的电流要求。由此可知步进电机控制系统的控制效果不仅取决于电机的自身性能和控制方案的选择，而且还取决于电机驱动能力的好坏，一个驱动能力优异的驱动器可以将电机的性能以及控制方案的优势都完美得实现。这不仅表现在对电机的转速的控制，还体现在对电机的最大转矩以及电机的及时制动能力的体现。与此同时，一个好的电机驱动可以有效降低系统的响应速度、减小零点振荡的出现概率和震动幅度，进一步提高电机的实时性能。

在数十百年的研究过程中，前人已经研究出了非常对的步进电机驱动方案，但是并非都是合适的，其中使用最多的驱动方式有变电压脉冲驱动、恒流斩波驱动、细分驱动、变频变压驱动等。

传统的驱动方式只控制步进电机绕组电流的开断。因此，如果转子齿数保持不变，则只有提高分辨率才能改变绕组的相数。采用电流控制技术，能够非常方面的对步进电机的步进角进行细分，就可以在原有的控制基础上实现步进电机的细分控制，极大的提高了步进电机的输出转速、输出转矩、制动能力等方面的能力。

本文为实现控制步进电机电流大小，驱动电机转动达到精确的程度，采用了细分驱动的技术来控制最关键的桥中晶闹管的关断时间。具体的方法是使用功率驱动技术将控制端获取来的控制脉冲先转换或等步进角拟正弦细分电流波形，再使用脉宽调制技术将细分电路输出的参考电流波形转换为波形。

2 步进电机的细分驱动

细分控制的实质就是控制步进电机磁场绕组中的电流，使步进电机内部的合成磁场构成均匀的圆形旋转磁场。并由此旋转磁场的矢量幅值决定电机的转矩大小，同时其旋转频率决定电机的转速。由此可知，要控制电机就需要控制电机绕组中电流的大小、频率，这才能使电机内的合成磁场的幅值达到稳定的控制，使得电机的转矩得到合理的控制，不过在细分控制中由于主要研究转速的控制，所以一般将磁场的幅值设为定值，以便研究步进电机恒转矩的均匀细分。细分控制方法是在两相步进电机绕组电流开关中，代替原绕组电流直接开关的方法，不是全部涌入或去除绕组电流，而是只改变相应的额定绕组部分，合成电机磁势。电机的控制脉冲每一次只是以前控制方法的一小阶梯段，转子的每一步只运行一部分阶梯段。在这种情况下，绕组电流不是方波，而是阶跃波。这两种方式的工作波形如图2所示

图2 左图为未细分脉冲，右图为细分后脉冲

3 H桥功率驱动

由于步进电机各相绕组都是以数字方式运行，绕组电流并非连续，相反的是在时域上是存在无数的阶跃断点。同时电机是由电感组成的，而电感中的电流是不可能瞬间变化为0，所以就需要在电路中设置续流回路，以便将电感中的电流迅速衰减消耗，避免产生巨大的电涌，破坏电路及其他电器元件。而解决这个问题的最好办法就是采用H桥驱动，H桥驱动具有双极性特点，可以将电机的电流及时的控制在有效的范围，并能通过4个开关管将控制脉冲有效的传导到电机上。

4 总结

本章主要就步进电机控制系统的基础知识和相关控制理论进行阐述和分析。首先介绍两相混合式步进电机的基本结构和工作原理，并简要说明其数学模型。其次，介绍步进电机细分控制设计思想，对步进电机细分驱动技术及脉宽调制技术进行分析。最后，结合相关系统的应用需求，通过研究步进电机速度控制方法，对比其它运行曲线发现抛物线形具有明显优势，因此结合梯形运行曲线，推导了抛物线运行曲线的算法公式。

两相混合式步进电机可以直接使用数字脉冲进行开环控制，具体控制简单，动态力矩大，定位精度高等特点，是一种具有独特有点的控制器件。但本身也有不少缺点，例如在较高转速要求下电机容易倒转，堵转，失步等，对系统的运行造成很严重的后果。合适的运行曲线对步进电机的开环控制性能有很大的影响。