步进电机的单脉冲控制、双脉冲控制、开环控制和闭环控制

　　步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

　　虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

　　步进电机的控制有单电压和高低电压控制之分；

　　单电压控制用一串脉冲信号控制一个电子开关的通、断来控制电机驱动绕组得电、失电；

　　高低电压控制在单电压控制的基础上，用另一串脉冲控制一个电子开关的 通、半导通 ，两个开关串联，两个控制脉冲同频率但不同相位和宽度。达到给绕组的供电电压全、一半、迅速关断的目的。

　　步进电机的开环控制

　　1、步进电机开环伺服系统的一般构成

　　步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由控制器、功率放大器、步进电动机等组成。

　　2、步进电机的控制器

　　1、步进电机的硬件控制

　　步进电动机在—个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。

　　实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，以减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更显示出它的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。

　　另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大、成本高、可靠性差。

　　2、步进电机的微机控制：

　　目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：

　　（1） 能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

　　（2） 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。

　　（3） 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。

　　（4） 硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。

　　（5） 采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。

　　（6） 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

　　（7） 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化。

　　（8） 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

　　3、步进电机的功率驱动电路

　　要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必须为步进电机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对每一相绕组来说，理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。

　　常见的步进电动机驱动电路有二种：

　　图4.6 步进电机驱动电路

　　（1）单电压驱动电路

　　这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动，图6-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。

　　当环形分配器的脉冲输入信号 为低电平（逻辑0，约1V）时，虽然VT1、管都导通，但只要适当选择的阻值，使《0（约为-1V），那么管就处于截止状态，该相绕组断电。当输入信号 为高电平3.6V（逻辑1）时。》0（约为0.7V），管饱和导通，该相绕组通电。

　　（2）双电压驱动电路 又称高低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，通过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善。

　　当环形分配器的脉冲输入信号为高电平时（要求该相绕组通电），二极管的基极都有信号电压输入，使均导通。于是在高压电源作用下（这时二极管两端承受的是反向电压，处于截止状态，可使低压电源不对绕组作用）绕组电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时，利用定时电路或电流检测器等措施切断基极上的信号电压，于是截止，但此时仍然是导通的，因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管供给。当环形分配器输出端的电压为低电平时（要求绕组断电），基极上的信号电压消失，于是截止，绕组中的电流经二极管及电阻向高压电源放电，电流便迅速下降。采用这种高低压切换型电源，电动机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻（为平衡各相的电流），所以电源的功耗比较小。由于这种供压方式使电流波形得到很大改善，所以步进电动机的转矩一频率特性好，启动和运行频率得到很大的提高。

　　步进电机的闭环控制

　　同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。