步进电机的控制方法研究.docx
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步进电机的控制方法研究
步进电机的控制方法研究
摘要
随着微电子和计算机技术的不断进步和高速的更新换代，作为机电一体化进程中制造出来的一种主要产品的步进电机的产量和数量也逐渐增多。
而且对于步进电机的应用也是是十分广泛的，比如很多的自动控制系统中大部分都会涉及到步进电机的使用。
众所周知，对于步进电机在应用方面的优势也是十分明显的，比如在对一些频带宽度较大的脉冲信号的控制，以此控制来实现对点击相关部件的速度调节上，实现速度控制以及相关部件的启动和停止，或者是控制相关部件的正向或者反向转动。
另外一个很大的优势就是步进电机可以实现整个构件开环系统不仅仅结构设计简便易行，而且造价低廉，工作性能相当稳定可靠。
当前对步进电机的研究焦点主要集中在对步进电机的驱动控制上，然而驱动控制也是步进电机的一个重要的关键技术。
步进电机的控制技术在很多的行业和领域里都有广泛的应用。
对于步进电机相关技术的研究国内很多的专家和学者都从不同角度不同侧面给出了详细的论断。
步进电机的应用研究现在正在朝着应对响应时间短，运行速度快的方向发展。
本论文首先对步进电机的相关技术理论做了比较详细的论述；其次论文对步进电机设计及其工作原理做了详细的论述，及其细分驱动系统进行了详细阐述，研究了步进电机的工作原理、运行性能，分析了步进电机细分驱动系统的作用和适用性，并对国内外步进电机细分驱动系统的研究作了简要介绍。
研究了步进电机在加减速控制过程中脉冲频率曲线的设计和他们的优缺点，并提出以步进电机控制系统模型和矩频特性为依据，推导出其加减速控制过程中的线性加正弦函数，在不发生失步和过冲的前提下，能够缩短步进电机的加减速时间，提高运行速度，充分发挥步进电机的工作性能。
论文对于研究如何有效的规避电机的低频振荡，通过采取一些有效的措施来尽可能的增加电机的输出转矩，提高电机的分辨率，同时也要进一步提高步距的均匀度等。
同时论文中也针对如何更加有效的步进电机高精度细分和平滑运行、动态适应多级细分的技术难题，研究了步进电机的传统控制方法和细分控制原理，在控制方法上，本文通过分析两相混合式步进电机的运行原理，推导了其数学模型。
在此基础上提出了电流矢量恒幅均匀旋转与可变细分相结合的控制策略，提出了一种新的趋圆自适应驱动模型，并给出了控制方法。
通过实时计算的方式控制各相绕组电流，使其按阶梯正旋规律改变大小和方向，实现将步进电机一个整步均匀地分为若干个更细的微步，改变了以往细分控制参数需要事先计算的方式，节省了存贮空间，并能动态的适应多级细分的情况。
论文的最后加入了模拟仿真实验，为了更加有力的论证本文的核心部分，在论文的第三章和第四章加入了实验和模型研究部分。
本文的研究具有十分重要的意义，主要是对于计算机技术应用于步进电机的速度控制和细分驱动控制方式层面的深入探索，同时也对进一步的促进步进电机在相关领域内的实际应用也有十分积极的意义。
关键词：
步进电机；速度控制；细分驱动；自适应；仿真
第一章绪论
1.1步进电机概述
本节主要针对步进电机的相关理论基础进行阐述，众所周知，步进电机是一种基于电磁学原理的一种机械电气性质的元件，它的工作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩,其中的磁导主要是依靠电子信号脉冲来支持的，因此他又叫座脉冲电机，从结构上来说其实他的本质是一个可以自由回转的电磁铁。
最早的步进电机的雏形是产生于十九世纪中期，直到十九世纪七十年代对于步进电机的研究才开始转向对其控制技术的研究上来。
我国早在上个世纪中期开始对步进电机开展研究，但是相关的应用也是较少的。
步进电机从用途上来来说，和别种类型的电机一个明显的区别就是在对接收到的信号进行处理的时候，和别的电机的运行控制原理有所不同，主要体现在步进电机是需要将接收数字控制信号或者是模拟信号进行转换，将这些信号源转变成数字化的位移数据，位移数据可以是角位移或者是直线位移。
以上论述中可以看出步进电机的本质上就是一个进行数模转化的电子元器件。
该元器件是具有控制功能，具体来说控制功能包含了开环位置控制和翻环控制。
控制功能的工作原理是每当步进电机的控制系统在接受到一个脉冲信号后通过系统数据处理很快就会反馈出来一个位置增量，该位置增量是一个量化值。
这个开环位置控制系统具有很大的优点，其中一个优点就是可以极大的节省系统开销。
而传统的直流控制系统的系统开销是十分大的，采用开环控制系统可以有效的规避这些问题。
另外，对于步进电机的同步问题和输入输出问题上，步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。
在步进电机的开环控制中，开环控制系统处理程序只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，很快的进行系统分析和处理，马上就可得到系统正常稳定运行的时候步进电机的转角，步进电机的运行速度以及步进电机的运动方向。
1.2步进电机控制技术及发展概况
本节将对步进电机控制技术相关理论做详细介绍，并且对步进电机控制技术相关技术的发展概况做一定的阐述。
众所周知，步进电机是一种专用的控制用电器元件，这就决定步进电机的供电电源是不能够直接的连接到我们日常生活用到的交流电源上边。
这就要求步进电机的供电电源一定要采用步进电机的专用供电电源才能让步进电机正常工作。
该供电电源是和步进电机驱动器紧密联系在一起的。
众所周知，在电气自动化行业里，电子元器件的发展也是日新月异，尤其是大规模集成电路的快速发展，使得计算机的应用开始普及开来。
早在这些技术没有完全发展之前，系统控制器的工作完全依靠系统硬件来实现的，而电子元器件的控制系统采用单独的元件来实现，后来发展成为采用集成电路组成控制回路来实现，使用以上两种控制方法实现对电子元器件的控制，一方面调试安装程序相对复杂，并且在实施的过程中要采用相当多的元器件，此外，当将安装好的控制系统的相关元器件设定好之后，很难在原来的基础上进一步的升级和更新控制系统。
这对系统的扩展能力和重用能力来说具有一定的局限性。
这种情况下带来的问题就十分多了，比如使得不同的电机相关的元器件不能够实现驱动程序的升级重用，增加了系统的开发和设计的成本。
对于开发出来的系统控制程序的重装和维护工作也是十分难的，因为一旦这样持续下去的话，就很大程度上限制了步进电机的普及和推广。
由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，设计出来的步进电机控制系统的供电电源采用计算机是最好的方式，近些年来，伴随着电气自动化技术的不断进步和发展，与电子元器件的发展同步的软件和硬件相辅相成的软件技术的推进融合技术的成熟等，都为步进电机的发展和普及带来了很大的应用前景。
1.2.1开环控制
本节研究步进电机的控制方式，众所周知在设计步进电机控制方式的时候，一般会采用较为简单的开环控制系统，开环控制的基本工作原理如下图所示：
开环控制方式的优势很明显，而且相对别种控制方式实现相对简单：
首先，开环控制实现控制较为简单，其次简便易行；再次,实现控制效率相对较高，而且成本很低。
这种控制方式特别在开环控制中，由于负载的具体位置在哪里并没有与控制电路之间有必然联系，产生的信息也没有相关的响应。
因此，步进电机必须正确地响应每次励磁的变化，如果励磁变化太快，电机不能移动到新的位置，那么实际负载位置与理想位置就会产生一个偏差，在负载基本不变时，控制脉冲序列的产生较为简单，但是在负载的变化可能较大的场合，控制脉冲序列的产生就很难照顾全面，就有可能出现失步等现象。
在当前，计算机处理性能的大幅度提升，越来越多的自动化元器件应用得到广泛的推广，最常用到的单片机产品，就可以很轻松的满足平时遇到的步进电机的控制脉冲序列的产生。
1.2.2翻环控制
由于步进电机开环控制系统存在精度不高、丢步等缺点，所以在精度要求较高的场合可以采用步进电机的闭环控制系统n3，其原理框图如图1.2所示：
这种控制方式是直接或间接地检测出转子（或负载）的位置或速度，然后通过反馈和适当的处理，自动地给出步进电机的驱动脉冲序列，这个驱动脉冲序列是根据负载或转子的位置而随时变化的。
1.2.3步进电机加减速过程控制技术
正因为步进电机的广泛应用，对步进电机的控制的研究也越来越多，在启动或加速时如果步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步：
在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。
为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。
从步进电机的频率一力矩曲线（图1．3）可知，步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动力矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。
要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩，又不能超过这个力矩。
因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。
特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。
1.2.4步进电机的细分驱动控制
步进电机由于受到自身制造工艺的限制，如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，但转子齿数和运行拍数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的，步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。
这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合，对要求较高的场合，只能采取闭环控制，增加了系统的复杂性，这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。
细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。
上述传统的细分控制方法是：
提前计算细分控制电流参数放入寄存器中供程序调用。
这样以来，增加了空间上的成本，程序设计较为繁琐，在要求多级细分的控制场合，其存储空间的增加和程序设计的复杂程度将是不可接受的。
1.3本文研究的意义和主要内容
尽管步进电机的精确控制方面的研究是一个热点课题，在步进电机控制研究的两个方面：
加减速过程控制和细分驱动技术上，取得了大量的研究成果，虽然提出了种种技术理论和实现方案，但都存在有一定的局限性，一个灵活的，适应性强的核心控制算法和可行方案还是有很大的研究空间的。
本论文主要详细阐述了步进电机在正常工作状态下加速控制和减速控制两种动作下所产生的脉冲频率曲线，并对产生的曲线构建数学模型，然后对这些数学模型进行对比，找出二者的不同点和各自的优缺点并提出步进电机控制系统相关的机械特性，从而推导出步进电机控制系统中各种动作，如加速控制和减速控制的数学模型对应的曲线和线性关系，接着提出了如何在不发生失步和过冲的前提下，尽量提高其运行速度，充分发挥步进电机的工作性能。
第二章步进电机的速度控制
2.1步进电机速度控制的必要性
步进电机可以使用脉冲信号直接进行开环定位控制，具有一定的精度：
而且控制线路简单，使用方便、可靠。
合理选择步进电机的升降速运行曲线，在不失步和不发生过冲的前提下，尽量提高其运行速度，对于充分发挥步进电机的工作性能，有着十分重要的意义。
一般情况下，系统的极限启动频率较低，而要求的运行速度又较高，如果系统以要求的速度直接启动，会因速度已超过极限启动频率而不能正常启动，发生堵转或根本不能运行的情况。
系统运行到终点时突然停止，则会因系统的惯性，出现过冲现象，使控制发生偏离。
因此，在控制的过程中运行速度需要有一个升速—恒速一降速一停止的过程。
系统在要求快速响应时，必须要求升降速过程时间尽量地缩短，使步进电机在不失步条件下，以最短的时间升降到给定速度。
2.2速度控制曲线及其数学模型
在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度，和步进电机转子的角加速度成正比。
而角加速度又是依赖于步进电机的输出力矩的。
因此，选择一条比较合理的运行规律曲线，以使步进电机转子的角加速度的变化与它的输出力矩变化相适应，成为速度控制的关键。
目前，如何根据具体的应用环境（步进电机的类型、运行状态、负载的特性等）确定最佳的升降速曲线；如何在负载变化的情况下及时调整升降速的控制，成为步进电机速度控制的重要研究内容。
许多科技工作者对步进电机的加减速特性优化控制进行研究，建立了多种加降速数学模型，如指数模型、线性模型等，并在此基础上开发了多种加速度控制器，缩短了加减速时间。
速度控制规律一般有三种选择，如图2-1所示。
按阶梯规律升降速、按直线规律升降速、按指数规律升降速。
2.2.1阶梯规律速度控制
将步进电机的升降过程离散为一个不连续的区间，控制器件所发出的驱动脉冲受阶梯函数的控制，即步进电机的转速每跃升1个台阶后，恒速运转一段时间，通过回馈机制比较当前速度与目标速度是否一致，若不一致则相应的加或减一个脉冲档位噙3。
这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速，未充分利用步进电机的加速性能，而且在高频段加速台阶高，步进电机在速度越阶时会发生失步。
2.2.3直线规律速度控制
电机做梯形运动时，其运动过程是首先以一定的加速度加速运动，当速度达到指定的速度时，开始匀速运动。
减速时，以一定的加速度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来。
在步进电机升速过程中，直线规律速度控制是加速度保持一个恒定值不变，速度以直线规律上升乜副。
该种加减速方法快速性较好，控制方法计算简单，节省机时，但由于速度呈直线上升或下降规律，不完全符合步进电机的速度变化规律，加速、匀速和减速过程不能光滑过渡，即加速度对时间的函数a（t）=dv（t）／dt不是连续函数，而存在阶跃现象，加减速控制方法效果不是十分理想。
这将影响电机和机械系统的使用寿命，所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不高的场合。
以往研究表明，步进电机处于负载状态下可以按预期的目标升降速，但是反映出过冲量大、稳定性差、噪音大的现象。
所以在短距离的步进电机加减速控制中不适合采用该方法。
同时，由于这种速度控制方法的加速度是恒定的，其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性，步进电机在高速时会发生失步。
因此，除部分特殊场合，线性规律控制已逐步退出历史的舞台。
223指数规律速度控制
指数规律加减速是指在加减速过程控制中，步进电机的速度是指数规律上升或下降的。
开始加速度最大，并且随着速度的升高而逐渐减小，速度上升得越来越慢。
当速度上升至最高值时，加速度降低至最小，理想情况下应接近于0。
用指数规律加减速能充分保证步进电机的运行稳定性，同时兼顾了升降运行快速性。
在对步进电机的控制中，工程上一般认为步进电机无需经过加速就直接阶跃到启动频率所对应的速度，也可在启动频率所对应的速度直接停止。
因此上图所示直线加抛物线运动规律就演变为抛物线运动规律，由于步进电机的转矩是其速度的减函数，在高速状态下，易于产生振荡，而使用抛物线型曲线的控制方法可提高步进电机的允许上限速度，而且可以保证系统尽快由启动状态上升到高频运行状态，或尽快由运动状态停止。
2.3速度控制的数学模型及指数型控制算法
2.3.1速度控制的数学模型
步进电机运行时总是在电气和机械过度过程中进行的，其速度特性直接影响到系统的快速性及工作的可靠性。
步进电机的速度特性，可以通过其动力学模型来表示，方程式表示如下：
其中，——步进电机转子的转动惯量与负载的折算转动惯量之和：
θ—步距角；
B——阻尼（包括机械阻尼、电磁阻尼等）系数
K——与θ成某种函数关系的比例因子（可认为系统的弹性系数）
Tz——摩擦阻力矩及其它与0无关的阻力矩之和；
Td——步进电机所产生的电磁转矩。
由式（2-1）可得
由式（2—2）看出，惯性扭矩如应小于最大电磁扭矩乃。
在升速阶段，角加速度￡应尽可能大些，以提高系统的快速性。
在经典控制中，一种做法是B和K不考虑对速度控制的影响，结果是角加速度￡取值变大，步进电机易失步：
另一种是过大估计曰和K的影响，取一个经验值，结果是角加速度￡取值变小，步进电机升速时间变长，系统的快速性太差。
2.3指数型控制算法
在步进电机的控制系统中，给一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步，如输入为脉冲数Ⅳ，输出为转角0，则p=KN或∞=威（Ⅳ为驱动脉冲的频率，K为脉冲当量），这是步进电机输入／输出的比例关系。
步进电机的转矩一频率特性曲线表明，当转速上升时，转矩随速度接近于线性下降。
这个转矩实际上是电磁转矩瓦和阻力矩乃之差。
设步进电机的阻力矩正=KrCO，负载转矩是加速转矩砌，则负载的运动方程为：
式中，T0——为电磁转矩
J——为负载的转动惯量
KT——为转矩常数
w——为电机的回转角速度
假设转速从零开始升速，即初值t=0，w=0时，（2-3）式方程的解为：
从上式可以看出，加入系统采用的单片机采用了特定的定时器中断方式来对设计出来的步进电机的速度进行控制的话，在对升降速度的把握的时候，就要不停不间断的去控制变动定时器的数据，这个数据时一个装载数值，要不断的对这个数据进行改变，以此来更加有效的对控制系统编程。
同时考虑到编写控制代码的方便性和快捷性，则采用的了降低每一步的装在数据的数据值，不要每一步骤都进行详细的计算，此时采用阶梯曲线来逼近该升速曲线的方式实现。
将升速段均匀地离散为n段，由式可知上升时间为f，，则相邻两次速度变化的时间间隔为△f，=f/n，式中n即为阶梯升速的分档数。
程序执行过程中，对每档速度都要计算在这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查。
当减到零时，表示该档速度应走的步数已经走完，速度字七+l，进入下一档速度。
与此同时，还要递减升速过程总步数，直到升速过程走完为止。
减速过程同理。
2.4本章小结
第二章主要针对步进电机在对速度的控制上的必要性进行了论述，着重对步进电机和传统的速度控制系统进行的一定的对比分析，尤其是从数学模型层面进行了深入的探究；通过对不同数学模型的优缺点进行论述，更加明确的为下一章的步进电机速度控制的一般数学模型和指数数据模型相关的速度控制算法进行深入的论述，提供一定的数学模型层面的理论支撑。
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