步進電動機微步驅(qū)動位置閉環(huán)控制的研究
惲為民 侯琳棋（哈爾濱工業(yè)大學）
【摘 要】首先闡述步進電動機的微步驅(qū)動原理及實現(xiàn)技術(shù)，然后提出微步驅(qū)動位置閉環(huán)控制的原理及控制程序流程，并介紹了8031單片機構(gòu)成的控制器，最后給出試驗結(jié)果。
【敘 詞】步進電動機／微步驅(qū)動位置自動控制／閉環(huán)控制單片微型機
1引言
步進電動機主要有反應(yīng)式、永磁式、混合式等3種類型，其優(yōu)點是，數(shù)字式控制；成本低；低轉(zhuǎn)子慣量；無漂移、無累積定位誤差；能迅速加減速和停機；永磁式和混合式在停電時有較高定位轉(zhuǎn)矩。主要缺點是，轉(zhuǎn)換效率低；功率��；分辨率低；速度低；有丟步現(xiàn)象和低頻振蕩現(xiàn)象。
隨著步進電動機微型計算機控制技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的工作性能得到很大提高。微步技術(shù)可使每步細分成125微步或更多。閉環(huán)控制技術(shù)提高了步進電機的位置控制精度、運行穩(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。進行了研究[3 4]。微步數(shù)和徽步精度主要由控制器和步進電動機的特性決定。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)的磁場離散化。
涉進電動機閉環(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a相通電時，轉(zhuǎn)子停在與a相定子對準的狀態(tài)，見圖1。當a相通電轉(zhuǎn)為b相通電時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過15度。當a相通電轉(zhuǎn)為ab相通電時（見圖2），轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過7.5度，定位于ab相中間的一個電平衡點，當b相通電時，電流不是由零直接升至額定值ib，而是把其分成n個單位電流：
2.1步進電機微步驅(qū)動原理
圖1 a相通電使b相電流隨這個階梯遞增，通電狀態(tài)對于圖1所示四相步進電動機，定子齒的變化為：
那么轉(zhuǎn)子將在每個微步狀態(tài)ab,達到一個新的電平衡點，abi與abf．之間即構(gòu)成一微步，a相二整步過程中的微步過程為：
則四相微步驅(qū)動的步距角公式為：
式中n-微步數(shù)，n——每轉(zhuǎn)步數(shù)
2.2微步驅(qū)動技術(shù)的實現(xiàn)
微步驅(qū)動技術(shù)實現(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，但是實際的步進電動機靜轉(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，為了實際的運用和計算機控制器的便利，一般均勻劃分相電流，但可能引起步矩角的不均勻，這可通過均化手段進行改善。
本文實驗系統(tǒng)中的步進電動機用作機器人的某一關(guān)節(jié)驅(qū)動器，采用四相混合式步進電動機，步矩角1.8度，兩相通電微步驅(qū)動時，各相電流波形見圖4。
當電機通以圖4所示從左至右的各相電流時，步進電動機順時針微步運行。變化的階梯電流對應(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，實驗系統(tǒng)中 |
