步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制的研究
惲為民 侯琳棋（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
【摘 要】首先闡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微步驅(qū)動(dòng)原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，然后提出微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制的原理及控制程序流程，并介紹了8031單片機(jī)構(gòu)成的控制器，最后給出試驗(yàn)結(jié)果。
【敘 詞】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)／微步驅(qū)動(dòng)位置自動(dòng)控制／閉環(huán)控制單片微型機(jī)
1引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有反應(yīng)式、永磁式、混合式等3種類型，其優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字式控制；成本低；低轉(zhuǎn)子慣量；無(wú)漂移、無(wú)累積定位誤差；能迅速加減速和停機(jī)；永磁式和混合式在停電時(shí)有較高定位轉(zhuǎn)矩。主要缺點(diǎn)是，轉(zhuǎn)換效率低；功率小；分辨率低；速度低；有丟步現(xiàn)象和低頻振蕩現(xiàn)象。
隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作性能得到很大提高。微步技術(shù)可使每步細(xì)分成125微步或更多。閉環(huán)控制技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)的位置控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和平均輸出扭矩[2]。
微步(microstep)的概念是在70年代中期提出的。進(jìn)行了研究[3 4]。微步數(shù)和徽步精度主要由控制器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性決定。相 電流的選擇有2種方法：①基于轉(zhuǎn)矩一位移曲線。②基于把連續(xù)的磁場(chǎng)離散化。
涉進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制方法主要有核步法位置閉環(huán)控制和超前角速度閉環(huán)控制。
2微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)
數(shù)ns=8，轉(zhuǎn)子齒數(shù)nr=6，則每轉(zhuǎn)步數(shù)為：
步矩角為：
r=360度/n=15度
當(dāng)a相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子停在與a相定子對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)，見(jiàn)圖1。當(dāng)a相通電轉(zhuǎn)為b相通電時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15度。當(dāng)a相通電轉(zhuǎn)為ab相通電時(shí)（見(jiàn)圖2），轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)7.5度，定位于ab相中間的一個(gè)電平衡點(diǎn)，當(dāng)b相通電時(shí)，電流不是由零直接升至額定值ib，而是把其分成n個(gè)單位電流：
2.1步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)原理
圖1 a相通電使b相電流隨這個(gè)階梯遞增，通電狀態(tài)對(duì)于圖1所示四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，定子齒的變化為：
那么轉(zhuǎn)子將在每個(gè)微步狀態(tài)ab,達(dá)到一個(gè)新的電平衡點(diǎn)，abi與abf．之間即構(gòu)成一微步，a相二整步過(guò)程中的微步過(guò)程為：
則四相微步驅(qū)動(dòng)的步距角公式為：
式中n-微步數(shù)，n——每轉(zhuǎn)步數(shù)
2.2微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是各相繞組電流的選擇。一般按靜轉(zhuǎn)矩位移曲線選擇電流，但是實(shí)際的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩位移曲線并不是圖3所示的理想正弦曲線。另外，相電流和靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系也不能精確建立。因此，為了實(shí)際的運(yùn)用和計(jì)算機(jī)控制器的便利，一般均勻劃分相電流，但可能引起步矩角的不均勻，這可通過(guò)均化手段進(jìn)行改善。
本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作機(jī)器人的某一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，采用四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步矩角1.8度，兩相通電微步驅(qū)動(dòng)時(shí)，各相電流波形見(jiàn)圖4。
當(dāng)電機(jī)通以圖4所示從左至右的各相電流時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針微步運(yùn)行。變化的階梯電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字值存在e—prom中，本文采用八位d/a轉(zhuǎn)換，故數(shù)據(jù)范圍為0～255，微步數(shù)也為1～255，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中 |
