步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制的原理

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的定子一相繞組流過(guò)直流電流時(shí)，最接近該相的轉(zhuǎn)子齒被定子相吸引，因產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡位置時(shí)，轉(zhuǎn)子就靜止不動(dòng)了，此電磁轉(zhuǎn)矩也就把負(fù)載轉(zhuǎn)至需要定位的位置。然后再對(duì)下一相施加激磁電流，另外一個(gè)最接近該相的轉(zhuǎn)子齒被吸引，負(fù)載被該相電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)1個(gè)步距角，到達(dá)下一個(gè)靜止位置。激磁相切換的次數(shù)與頻率決定了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的最終角度與速度。切換相的次數(shù)與步距角的乘積為步進(jìn)（專(zhuān)有名詞為步動(dòng)作增加的角度）角度，此值決定最終靜止位置。相對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)，如步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩足夠大，則切換指令就能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，作位置控制。此時(shí)的位置平衡力是由步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的。

　　如下圖表示兩相PM型步進(jìn)電機(jī)的各相矩角特性曲線的情況。當(dāng)“杠A”相繞組激磁時(shí)，要使帶負(fù)載的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移，負(fù)載應(yīng)在轉(zhuǎn)子與A相的作用力范圍內(nèi)。“杠A”相激磁繞組通電時(shí)的定子與轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系如圖上部所示。激磁相“杠A”的矩角特性用實(shí)曲線表示；其他相繞組激磁時(shí)，產(chǎn)生的矩角特性曲線用虛線表示。

　　在輕載或空載時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩由所在位置決定，故“杠A”相轉(zhuǎn)矩沿曲線箭頭方向移動(dòng)到其與橫軸的交點(diǎn)C1點(diǎn)；實(shí)際上，轉(zhuǎn)子停在轉(zhuǎn)矩曲線上負(fù)載平衡點(diǎn)。

　　依次，B相如果激磁，則轉(zhuǎn)子停在點(diǎn)b1點(diǎn)，b1-C1的角度差為步距角。

　　變速控制可使用開(kāi)環(huán)控制（OPENLOOP）方式，改變速度只需要改變切換頻率的指令，相當(dāng)于變頻同步電機(jī)的功能。

　　步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制的要點(diǎn)

　　1、電流環(huán)

　　目前市場(chǎng)上的電機(jī)一般電感和電阻較小，很少像老式步進(jìn)通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)，主要是通過(guò)控制AB相電流進(jìn)行電流控制。電流為相差為90度的正弦波。驅(qū)動(dòng)多采用H橋的控制方式，兩個(gè)H橋控制兩相電流。電流控制的方式有兩種，一種是交流控制，AB相電流獨(dú)立控制，一種給正弦參考信號(hào)，一相給余弦參考信號(hào)。另一種是直流控制，類(lèi)似矢量控制，將AB兩相進(jìn)行坐標(biāo)變換，控制DQ的電流。據(jù)我所知，目前市場(chǎng)上的驅(qū)動(dòng)多以交流控制為主。

　　2、速度辨識(shí)

　　步進(jìn)電機(jī)的中速容易震蕩，多通過(guò)速度或加速度辨識(shí)進(jìn)行阻尼補(bǔ)償，提高中速和高速的穩(wěn)定性。速度辨識(shí)個(gè)人測(cè)試過(guò)的有三種分別是滑膜控制，PI鎖相環(huán)，無(wú)PI鎖相環(huán)。其中后面兩種效果最好。速度差可以通過(guò)補(bǔ)償q軸電流或超前角度抑制震蕩，理論上效果是一樣的。速度辨識(shí)的方法可以參照pmsm的無(wú)感控制，TI，ST，microchip都有類(lèi)似的方案。

　　3、反電勢(shì)補(bǔ)償

　　步進(jìn)電機(jī)極對(duì)數(shù)通常為50，所以反電勢(shì)系數(shù)較大，通常500rpm以上，電機(jī)已工作于弱磁升速的階段，所以適當(dāng)?shù)姆措妱?shì)補(bǔ)償會(huì)有利于提高電機(jī)的響應(yīng)速度，在速度辨識(shí)中，通常需要反電勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行速度和位置辨識(shí)，反電勢(shì)補(bǔ)償可以采用速度辨識(shí)的結(jié)論和中間量。

　　4、參數(shù)辨識(shí)

　　市面上的步進(jìn)電機(jī)巨多，不同廠商，參數(shù)不一，驅(qū)動(dòng)器的通用性就要求驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)不同的電機(jī)。速度辨識(shí)以及電流環(huán)的PI參數(shù)的整定階段一般需用到電阻和電感數(shù)據(jù)。個(gè)人采用的方法是上電時(shí)給定一個(gè)恒定電流，關(guān)閉所有管子讓電流自然續(xù)流，測(cè)試恒定電流降低1A所用的時(shí)間，來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)。通過(guò)給定第二次恒定電流就可以利用兩次恒定電流的壓差求出無(wú)死區(qū)影響的電阻，進(jìn)而計(jì)算出電感值。

　　5、mcu選擇

　　mcu的選擇主要關(guān)注計(jì)算量，個(gè)人測(cè)試過(guò)在TMS320F28027，034，STM32F103，xmc1302平臺(tái)。