一、步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制

1.步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的一般配置

圖1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞上電和斷電的次數(shù)以及各相的通電順序決定了輸出角位移和行進(jìn)方向。該頻率可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開(kāi)環(huán)控制方式。該圖是開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)主要由控制器，功率放大器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。

2，步進(jìn)電機(jī)控制器

1.步進(jìn)電機(jī)的硬件控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的步進(jìn)角，只要控制一定數(shù)量的脈沖，就可以精確地控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)角。但是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每個(gè)繞組必須按一定順序通電才能正常運(yùn)行。在輸入脈沖的控制下周期性地改變電動(dòng)機(jī)繞組的通電和斷電順序的過(guò)程稱(chēng)為振鈴脈沖。分配。

有兩種實(shí)現(xiàn)環(huán)分配的方法。一種是計(jì)算機(jī)軟件分發(fā)，計(jì)算機(jī)的三個(gè)輸出引腳使用查表或計(jì)算方法順序輸出滿(mǎn)足速度和方向要求的循環(huán)分發(fā)脈沖信號(hào)。此方法可以通過(guò)充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源來(lái)降低硬件成本。特別地，多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分布顯示出其優(yōu)點(diǎn)。但是，由于運(yùn)行軟件占用了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，因此插補(bǔ)操作的總時(shí)間增加了，這影響了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。

另一個(gè)是硬件循環(huán)分配，它使用數(shù)字電路配置或特殊的循環(huán)分配設(shè)備來(lái)處理連續(xù)脈沖信號(hào)并輸出循環(huán)脈沖。由數(shù)字電路構(gòu)成的環(huán)分配器通常由分立組件（例如觸發(fā)器，邏輯門(mén)等）組成，并且其特點(diǎn)是尺寸大，成本高且可靠性差。

2.步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制：

目前，伺服系統(tǒng)的大多數(shù)數(shù)字控制都采用結(jié)合了硬件和軟件的控制方法，軟件控制方法一般是由微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)榛谖⒂?jì)算機(jī)的數(shù)字伺服控制器比模擬伺服控制器具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）可以大大降低控制器的硬件成本。具有更高速度和更新功能的下一代微處理器將繼續(xù)出現(xiàn)，并且硬件成本將非常便宜。體積小，重量輕和能耗低是它們的共同優(yōu)勢(shì)。

（2）可以大大提高控制的可靠性。集成電路和大型集成電路的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）比單個(gè)組件電子電路的平均間隔時(shí)間長(zhǎng)得多。

（3）數(shù)字電路的溫度漂移小，不受參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。

（4）硬件電路易于標(biāo)準(zhǔn)化。為了避免電力電子電路中過(guò)大的瞬變和電壓引起的電磁干擾問(wèn)題，在電路集成過(guò)程中采取了一些屏蔽措施，因此可靠性較高。

（5）使用微處理器的數(shù)字控制，極大地改善了信息的雙向傳輸功能，可以通過(guò)上位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輕松傳輸，并且可以隨時(shí)更改控制參數(shù)。

（6）您可以設(shè)計(jì)適用于各種電力電子系統(tǒng)的集成硬件電路。可以對(duì)軟件進(jìn)行模塊化和組裝，以形成適用于各種應(yīng)用程序?qū)ο蟮目刂扑惴ā．?dāng)實(shí)際系統(tǒng)更改時(shí)，可以輕松地添加，更改，刪除或完全更新軟件模塊。

（7）改進(jìn)信息存儲(chǔ)，監(jiān)視，診斷和分級(jí)控制功能，以使伺服系統(tǒng)更加智能。

（8）隨著微機(jī)芯片的計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量的不斷提高，其性能優(yōu)良，但復(fù)雜算法的控制策略是其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3.步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電路

為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，必須向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供足夠功率的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)該功能的電路稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路，其功能是放大環(huán)形分配器的輸出信號(hào)功率，以獲得步進(jìn)電機(jī)控制繞組所需的脈沖電流和脈沖波形。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動(dòng)器的性能，對(duì)于每個(gè)相繞組，理想的功率驅(qū)動(dòng)器應(yīng)通過(guò)繞組產(chǎn)生盡可能接近方波的電流脈沖。但是，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電感較大，很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

有兩種常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：

圖4.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1）單電壓驅(qū)動(dòng)電路

這種電路使用單電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但電流波形不好，效率低，輸出轉(zhuǎn)矩小。主要用于低速要求，用于驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)，圖6-19顯示了步進(jìn)電機(jī)的單相繞組驅(qū)動(dòng)電路（每個(gè)相繞組的電路相同）。

當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號(hào)處于低電平（邏輯0，大約1V）時(shí)，VT1和燈管都導(dǎo)通，但是只要正確選擇了的電阻值， 0（約1V）-1V）時(shí)，管處于截止?fàn)顟B(tài)，并且相繞組斷電。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平3.6V時(shí)（邏輯1）。 0（約0.7V），管飽和，打開(kāi)，相繞組通電。

2）雙電壓驅(qū)動(dòng)電路，也稱(chēng)為高壓和低壓驅(qū)動(dòng)電路，使用兩種電源：高壓和低壓。步進(jìn)電機(jī)的繞組剛接通時(shí)，將由高壓電源供電以加速電流上升，并在延遲后切換到低壓電源。這種電路極大地改善了電流波形，輸出轉(zhuǎn)矩和工作頻率。

當(dāng)環(huán)形分頻器的脈沖輸入信號(hào)為高電平（必須給相繞組通電）時(shí)，二極管的基極具有信號(hào)電壓輸入，因此所有都導(dǎo)通。因此，在高壓電源的作用下（二極管當(dāng)前承受反向電壓并且處于截止?fàn)顟B(tài)，因此低壓電源不作用于繞組），繞組電流迅速上升，并且電流的前沿非常陡峭。當(dāng)電流達(dá)到或略微超過(guò)額定正常電流時(shí)，通過(guò)使用計(jì)時(shí)電路或電流檢測(cè)器來(lái)切斷的基極處的信號(hào)電壓來(lái)阻塞，但此時(shí)仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此繞組處于導(dǎo)通狀態(tài)。由電流旋轉(zhuǎn)二極管供電，由饋電設(shè)備供電。當(dāng)環(huán)形分配器的輸出上的電壓低（必須關(guān)閉繞組電源）時(shí)，在基極的信號(hào)電壓消失，因此被切斷，繞組中的電流被放電到高電壓供應(yīng)。它流過(guò)二極管和電阻，電流急劇下降。使用這種高壓和低壓開(kāi)關(guān)電源，在電動(dòng)機(jī)繞組中不需要串聯(lián)電阻或小的電阻（以平衡每個(gè)相中的電流），因此電源的功耗相對(duì)較低。這種供電方式極大地改善了電流波形，因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩頻率特性良好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到了極大的提高。

二，步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制

與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)勢(shì)。在反饋控制系統(tǒng)中，無(wú)論原因如何（外部故障或內(nèi)部系統(tǒng)更改），如果控制量偏離指定值，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制效果以消除偏差。因此，可以抑制干擾，對(duì)部件特性的變化不敏感，并且可以改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。然而，反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且由于增益選擇不當(dāng)而可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)可以測(cè)量擾動(dòng)變量以提高控制精度時(shí)，通常將依賴(lài)于擾動(dòng)的控制（即前饋控制）用作反饋控制的補(bǔ)充，以形成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。