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江蘇邱成機電有限公司

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步進電機又稱為脈沖電機，基于基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是初的步進電機。二十世紀初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式更加靈活多樣。 [2]

步進電機相對于其它控制用途電機的大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號）并轉(zhuǎn)化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。 [2]

我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開發(fā)，目前，隨著科學技術的發(fā)展，特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發(fā)展，使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。 [2]

步進電機控制技術及發(fā)展概況

作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電機驅(qū)動器）。在微電子技術，特別計算機技術發(fā)展以前，控制器（脈沖信號發(fā)生器）*由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。 [2]

由于步進電機是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，軟硬件結合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖,驅(qū)動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。 [2]

主要分類編輯 語音

步進電動機的結構形式和分類方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。 [1]

在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系，步進電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。 [2]

主要構造編輯 語音

三相磁阻式步進電動機模型的結構示意圖如概述圖所示。它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于定子極靴寬。 [1]

步進電機加減速過程控制技術

正因為步進電機的廣泛應用,對步進電機的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步，提高工作頻率,要對步進電機進行升降速控制。 [2]

步進電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發(fā)生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和高運行頻率可能相差十倍之多。 [2]

步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運行轉(zhuǎn)速。停止時運行頻率不能立即

降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。 [2]

步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降,啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖，其關鍵在于使加速過程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此,步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點運行的時間要求短，這就必須要求加速、減速的過程短，而恒速時的速度高。 [2]

國內(nèi)外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數(shù)學模型，如指數(shù)模型、線性模型等，并在此基礎上設計開發(fā)了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應用范圍指數(shù)加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性,既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發(fā)揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負載的變化，很難實現(xiàn)而線性加減速僅考慮電機在負載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關系，不因電源電壓、負載環(huán)境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發(fā)生失步。 [2]

步進電機的細分驅(qū)動控制

步進電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)決定，但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的,步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的復雜性，這些缺點嚴重限制了步進電機作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細分驅(qū)動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。 [2]

步進電機細分驅(qū)動技術是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動技術。年美國學者、次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里,步進電機細分驅(qū)動得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀九十年代*成熟的。我國對細分驅(qū)動技術的研究,起步時間與國外相差無幾。 [2]

在九十年代中期的到了較大的發(fā)展。主要應用在工業(yè)、航天、機器人、精密測量等領域,如跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀、用儀器、通訊和雷達等設備,細分驅(qū)動技術的廣泛應用,使得電機的相數(shù)不受步距角的限制,為產(chǎn)品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅(qū)動技術上,采用斬波恒流驅(qū)動,儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止，大大提高步進電機運行運轉(zhuǎn)精度,使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發(fā)展。 [2]

三相磁阻式步進電動機模型結構示意圖

三相磁阻式步進電動機模型結構示意圖

控制策略編輯 語音

PID 控制

PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 , 在步進電機驅(qū)動中獲得了廣泛的應用。它根據(jù)給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ,對被控對象進行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中 ,以位置檢測器和矢量控制為基礎 ,設計出了一個可自動調(diào)節(jié)的 PI 速度控制器 ,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態(tài)特性 。文獻根據(jù)步進電機的數(shù)學模型 ,設計了步進電機的 PID 控制系統(tǒng) ,采用 PID 控制算法得到控制量 ,從而控制電機向定位置運動 。后 ,通過仿真驗證了該控制具有較好的動態(tài)響應特性 。采用 PID 控制器具有結構簡單 、魯棒性強 、

可靠性高等優(yōu)點 ,但是它無法有效應對系統(tǒng)中的不確定信息 。 [3]

目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 , 形成帶有智能的新型復合控制 。這種智能復合型控制具有自學習 、自適應 、自組織的能力 ,能夠自動辨識被控過程參數(shù) , 自動整定控制參數(shù) , 適應被控過程參數(shù)的變化 ,同時又具有常規(guī) PID 控制器的特點。 [3]

自適應控制

自適應控制是在 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的自動控制領域的一個分支 。它是隨著控制對象的復雜化 ,當動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預測的變化時 ，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的 。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應速度快 ,能有效地克服電機模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響 ,是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據(jù)步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩(wěn)定的自適應控制算法 , 這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數(shù) 。文獻將閉環(huán)反饋控制與自適應控制結合來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度 , 通過反饋和自適應處理 ,按照優(yōu)化的升降運行曲線 , 自動地發(fā)出驅(qū)動的脈沖串 ，提高了電機的拖動力矩特性 ，同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速 。 [3]

目前 ，很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合 ，以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ，確保了轉(zhuǎn)動脈矩的大化補償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實現(xiàn)的自適應模糊 PID 控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化 ，通過模糊推理在線調(diào)整 PID參數(shù) ，實現(xiàn)對步進電機的自適應控制 ,，從而有效地提高系統(tǒng)的響應時間 、計算精度和抗干擾性 。 [3]

矢量控制

矢量控制是現(xiàn)代電機高性能控制的理論基礎 ,可以改善電機的轉(zhuǎn)矩控制性能 。它通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯畲欧至亢娃D(zhuǎn)矩分量分別加以控制 ，從而獲得良好的解耦特性 ，因此 ，矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ,又需要控制電流的相位 。由于步進電機不僅存在主電磁轉(zhuǎn)矩 ，還有由于雙凸結構產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩 ，且內(nèi)部磁場結構復雜 , 非線性較一般電機嚴重得多 , 所以它的矢量控制也較為復雜 。推導出了二相混合式步進電機 d-q 軸數(shù)學模型 ,以轉(zhuǎn)子永磁磁鏈為定向坐標系 ,令直軸電流 id =0 ,電動機電磁轉(zhuǎn)矩與 iq 成正比 , 用PC 機實現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng) 。系統(tǒng)中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置 ,用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文推導出基于磁網(wǎng)絡的二相混合式步進電機模型 , 給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結構 ,采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型參考自適應控制策略對系統(tǒng)中的不確定因素進行實時補償 ，通過大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實現(xiàn)電機的高效控制 。 [3]

智能控制的應用

智能控制不依賴或不*依賴控制對象的數(shù)學模型 ，只按實際效果進行控制 ，在控制中有能力考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性 , 突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學模型的框架 。目前 , 智能控制在步進電機系統(tǒng)中應用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡和智能控制的集成 。 [3]

模糊控制

模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ，運用模糊控制器的近似推理等手段 ，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結果的控制方式 ，模糊控制已廣泛應用于工業(yè)控制領域 。與常規(guī)控制相比 ，模糊控制無須精確的數(shù)學模型 , 具有較強的魯棒性 、自適應性 , 因此適用于非線性 、時變 、時滯系統(tǒng)的控制 。給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應用實例 。系統(tǒng)

為超前角控制 ，設計無需數(shù)學模型 ，速度響應時間短 。 [3]

神經(jīng)網(wǎng)絡控制

神經(jīng)網(wǎng)絡是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓撲結構和學習調(diào)整的方法 。它可以充分逼近任意復雜的非線性系統(tǒng)，能夠?qū)W習和自適應未知或不確定的系統(tǒng) ，具有很強的魯棒性和容錯性，因而在步進電機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。將神經(jīng)網(wǎng)絡用于實現(xiàn)步進電機佳細分電流 ，在學習中使用 Bayes 正則化算法 ,使用權值調(diào)整技術避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡陷入局部極小點 ，有效解決了等步距角細分問題

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