步進電動機的閉環控制系統
郭 宏（哈爾濱工業大學）
【摘要】 系統闡述了步進電動機閉環控制系統的優點，給出了幾種典型的閉環控制系統，并提出了步進電動機高精度定位系統的設計思想。
【敘 詞】步進電動機閉環系統／高精度定位
l概述
步進電動機是機電一體化產品中的關鍵元件之一，是一種性能良好的數字化執行元件。它能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執行元件。隨著計算機控制系統的發展，步進電動機廣泛應用于同步系統、直線及角位系統、點位系統、連續軌跡控制系統以及其它自動化系統中，是高科技發展的一個重要環節。
2步進電動機閉環系統與開環系統比較[1-5]
步進電動機的主要優點之一是適于開環控制。在開環控制下，步進電動機受具有予定時間間隔的脈沖序列所控制，控制系統中無需反饋傳感器和相應的電子線路。這種線路具有簡單、費用低的特點，使步進電動機的開環控制系統得以廣泛的應用。
但是，步進電動機的開環控制無法避免步進電動機本身所固有的缺點，即共振、振蕩、失步和難以實現高速。另一方面，開環控制的步進電動機系統的精度要高于分級是很困難的，其定位精度比較低。因此，在精度和穩定性標準要求比較高的系統中，就必須果用閉環控制系統。
步進電動機的閉環控制是采用位置反饋和（或）速度反饋來確定與轉子位置相適應的相位轉換，可大大改進步進電動機的性能。
在閉環控制的步進電動機系統中，或可在具有給定精確度下跟蹤和反饋時，擴大工作速度范圍，或可在給定速度下提高跟蹤和定位精度，或可得到極限速度指標和極限精度指標。步進電動機的閉環控制性能與開環控制性能相比，具有如下優點：
a．隨著輸出轉矩的增加，二者的速度均以非線性形式下降，但是，閉環控制提高了矩頻特性。
b．閉環控制下，輸出功率／轉矩曲線得以提高，原因是，閉環下，電機勵磁轉換是以轉子位置信息為基礎的，電流值決定于電機負載，因此，即使在低速度范圍內，電流也能夠充分轉換成轉矩。
c．閉環控制下，效率一轉矩曲線提高。
d．采用閉環控制，可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。
e.利用閉環控制，步進電動機可自動地、有效地被加速和減速。
f．閉環控制相對開環控制在快速性方面提高的定量評價，可借助比較ⅳ步內通過某個路徑間隔的時間得出：
式中n-步進電動機轉換拍數(n>n)
g．應用閉環驅動，效率可增到7.8倍，輸出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。
閉環驅動的步進電動機的性能在所有方面均優于開環驅動的步進電動機。步進電動機閉環驅動具有步進電動機開環驅動和直流無刷伺服電機的優點。因此，在可靠性要求很高的位置控制系統中，閉環控制的步進電動機將獲得廣泛應用。
3編碼器形式的步進電動機闋環控制系統
步進電動機的閉環控制最早是采用編碼器的形式，圖1是其原理示意圖。初始狀態，系統受一相或幾相激磁而靜止。開始工作后，先把目標位置送入減法計數器；然后，“起動”脈沖信號加到控制單元上，控制單元在“起動”脈沖的作用下，立即把步進命令送入相序發生器，使激磁變化一次，后續的脈沖則由編碼器裝置產生。編碼器每產生一個脈沖，就對法計數器減1，因而，減法計數器記錄的是實際的轉子位置。當減法計數器的計數減至零時，發出一個停止信號到控制單元，禁止以后的步進命令，系統停止工作。
對于低分辨率的步進電動機，通常使用一個開了槽的圓盤和光電傳感器作為反饋編碼器的組合件，如圖2所示，槽口的數目等于電機每轉所走的步數。
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