步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)
郭 宏（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
【摘要】 系統(tǒng)闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，給出了幾種典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并提出了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。
【敘 詞】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)／高精度定位
l概述
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵元件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。它能夠?qū)㈦姷拿}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動(dòng)化執(zhí)行元件。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點(diǎn)位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其它自動(dòng)化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較[1-5]
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是適于開(kāi)環(huán)控制。在開(kāi)環(huán)控制下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受具有予定時(shí)間間隔的脈沖序列所控制，控制系統(tǒng)中無(wú)需反饋傳感器和相應(yīng)的電子線路。這種線路具有簡(jiǎn)單、費(fèi)用低的特點(diǎn)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)得以廣泛的應(yīng)用。
但是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制無(wú)法避免步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身所固有的缺點(diǎn)，即共振、振蕩、失步和難以實(shí)現(xiàn)高速。另一方面，開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的精度要高于分級(jí)是很困難的，其定位精度比較低。因此，在精度和穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求比較高的系統(tǒng)中，就必須果用閉環(huán)控制系統(tǒng)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制是采用位置反饋和（或）速度反饋來(lái)確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的相位轉(zhuǎn)換，可大大改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能。
在閉環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，或可在具有給定精確度下跟蹤和反饋時(shí)，擴(kuò)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(biāo)和極限精度指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制性能與開(kāi)環(huán)控制性能相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
a．隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，二者的速度均以非線性形式下降，但是，閉環(huán)控制提高了矩頻特性。
b．閉環(huán)控制下，輸出功率／轉(zhuǎn)矩曲線得以提高，原因是，閉環(huán)下，電機(jī)勵(lì)磁轉(zhuǎn)換是以轉(zhuǎn)子位置信息為基礎(chǔ)的，電流值決定于電機(jī)負(fù)載，因此，即使在低速度范圍內(nèi)，電流也能夠充分轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩。
c．閉環(huán)控制下，效率一轉(zhuǎn)矩曲線提高。
d．采用閉環(huán)控制，可得到比開(kāi)環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。
e.利用閉環(huán)控制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可自動(dòng)地、有效地被加速和減速。
f．閉環(huán)控制相對(duì)開(kāi)環(huán)控制在快速性方面提高的定量評(píng)價(jià)，可借助比較ⅳ步內(nèi)通過(guò)某個(gè)路徑間隔的時(shí)間得出：
式中n-步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換拍數(shù)(n>n)
g．應(yīng)用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，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(huán)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能在所有方面均優(yōu)于開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)具有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)和直流無(wú)刷伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。因此，在可靠性要求很高的位置控制系統(tǒng)中，閉環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將獲得廣泛應(yīng)用。
3編碼器形式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)闋環(huán)控制系統(tǒng)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)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(tài)，系統(tǒng)受一相或幾相激磁而靜止。開(kāi)始工作后，先把目標(biāo)位置送入減法計(jì)數(shù)器；然后，“起動(dòng)”脈沖信號(hào)加到控制單元上，控制單元在“起動(dòng)”脈沖的作用下，立即把步進(jìn)命令送入相序發(fā)生器，使激磁變化一次，后續(xù)的脈沖則由編碼器裝置產(chǎn)生。編碼器每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就對(duì)法計(jì)數(shù)器減1，因而，減法計(jì)數(shù)器記錄的是實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)減至零時(shí)，發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)到控制單元，禁止以后的步進(jìn)命令，系統(tǒng)停止工作。
對(duì)于低分辨率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通常使用一個(gè)開(kāi)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(shù)目等于電機(jī)每轉(zhuǎn)所走的步數(shù)。
對(duì)于高分辨率的步進(jìn)電劭機(jī)，則需采用 |
