高效的步進(jìn)電機(jī)控制算法

在對(duì)基于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，工程師必須綜合考慮成本、性能、效率、未預(yù)料到的反饋難題（如機(jī)械共振）以及開發(fā)時(shí)間等因素?，F(xiàn)代的電機(jī)控制系統(tǒng)面臨著在多種不利環(huán)境中工作的難題，而傳統(tǒng)解決方案的總效率通常受限于整個(gè)系統(tǒng)所遇到的最壞情況。自適應(yīng)控制算法對(duì)于提取出經(jīng)過優(yōu)化的機(jī)電系統(tǒng)的最大效率而言是必不可少的。

系統(tǒng)映射
如果希望得到最高效率，就必須對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的邊界條件進(jìn)行映射。所有的系統(tǒng)變量都必須考慮到：溫度、機(jī)械降解、加速度、速度、電源電壓等等。系統(tǒng)架構(gòu)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

在開環(huán)系統(tǒng)中，通常需要以最壞情況下的電流驅(qū)動(dòng)和速度曲線來激勵(lì)電機(jī)，所以我們可以認(rèn)為效率并不是這類系統(tǒng)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種類型的測(cè)試非常耗費(fèi)時(shí)間，因?yàn)楸仨氃陔姍C(jī)可能使用的所有電源電壓、溫度和速度值下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以盡量減小出現(xiàn)共振的風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)都存在發(fā)生共振的可能，這通常是因?yàn)楣ぷ髟冢ɑ蚪咏冢╇姍C(jī)的自然頻率而造成的。避開這些區(qū)域是至關(guān)重要的，因?yàn)楣舱窨赡軙?huì)造成電機(jī)丟步或進(jìn)入失速狀態(tài)。不過，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)而言，確定這些區(qū)域可能是非常困難的。

閉環(huán)控制通常采用以下兩種形式：基于傳感器的系統(tǒng)（光或是霍爾效應(yīng)）和無傳感器的系統(tǒng)。無傳感器的系統(tǒng)也稱為“半閉環(huán)系統(tǒng)”，通常使用由電機(jī)線圈所產(chǎn)生的電壓來作為反饋?；趥鞲衅鞯目刂葡到y(tǒng)使用得很廣泛，但是在映射實(shí)踐中必須考慮傳感器的其他變化。無傳感器的系統(tǒng)的一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)在于，它只需要讀取與電機(jī)的物理運(yùn)動(dòng)有關(guān)的信息。它的另一項(xiàng)重要的優(yōu)勢(shì)是降低了閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)成本，同時(shí)，由于不需要外部傳感器，也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。成功的設(shè)計(jì)需要理解反電動(dòng)勢(shì)的特性。

SLA映射
反電動(dòng)勢(shì)可以方便地提取出與機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)的詳細(xì)信息，并提供診斷數(shù)據(jù)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流脈沖之間，電機(jī)線圈運(yùn)動(dòng)經(jīng)過電機(jī)磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。這一信息通常被稱為電機(jī)的速度和/或負(fù)荷角（SLA）?？梢酝ㄟ^監(jiān)視反電動(dòng)勢(shì)的幅度來很好地近似步進(jìn)電機(jī)的角速度。

圖1給出了使用AMIS-30522細(xì)分步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)械系統(tǒng)中的傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)SLA引腳的映射。這一信息是在對(duì)NXT輸入（確定電機(jī)激勵(lì)速度的時(shí)鐘輸入）進(jìn)行掃頻的過程中收集的。隨著它從左向右移動(dòng)，激勵(lì)的頻率升高，可以清晰地看到不同的工作區(qū)域。測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的電機(jī)特性的能力是AMIS-305xx系列所具有的一種非常強(qiáng)大的特性——特別是它能夠處理傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)難題，而在此之前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只分析電機(jī)的共振性能，而沒有認(rèn)識(shí)到一旦整個(gè)機(jī)械裝置放在一起之后這些區(qū)域可能會(huì)發(fā)生變化。

圖1 對(duì)NXT引腳掃頻的同時(shí)監(jiān)視SLA引腳

電機(jī)控制系統(tǒng)可以不斷地對(duì)SLA電壓進(jìn)行采樣，如果遇到異常情況，就可以采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｒ驗(yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)正比于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，所以可以方便地用于感應(yīng)輸出軸上的外部負(fù)載，并調(diào)節(jié)供應(yīng)給電機(jī)的電流。取自SLA引腳的數(shù)據(jù)大有作為的另一個(gè)領(lǐng)域是當(dāng)電機(jī)將要進(jìn)入共振區(qū)域的時(shí)候。通過設(shè)計(jì)一種算法來快速地識(shí)別出這種情況，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)就可以立即加速通過這一區(qū)域，到達(dá)新的安全速度。

圖1左側(cè)的紅色方塊突出顯示了系統(tǒng)中的共振。這可能是因?yàn)殡姍C(jī)的實(shí)際安裝，在步進(jìn)臺(tái)階之間的電機(jī)共振基頻，或者其他二階因素。這些通常是需要避開的換向速度區(qū)域，如果采用安森美半導(dǎo)體的反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)，可以方便地在數(shù)分鐘之內(nèi)得到映射。這將有助于減少機(jī)電系統(tǒng)的壓力。這之所以重要，是因?yàn)橄到y(tǒng)壓力可能會(huì)造成噪聲增大，性能下降，并可能造成系統(tǒng)可靠性降低。這種數(shù)據(jù)收集方法的亮點(diǎn)在于，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物理更改就能完成映射過程。唯一的傳感器就是電機(jī)本身，所以不會(huì)額外增加機(jī)械復(fù)雜度。

圖1右側(cè)的紅色方塊表示電流驅(qū)動(dòng)超出系統(tǒng)的RLC時(shí)間常數(shù)的區(qū)域，從而導(dǎo)致了電機(jī)線圈上的殘余電流。它是這種特定的機(jī)電系統(tǒng)的“速度限制”。

在這兩塊區(qū)域之間的就是推薦的電機(jī)工作區(qū)域。還應(yīng)該注意到，相同的映射還可用于識(shí)別電機(jī)無法換向（從而無法產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)）的失速情況。在系統(tǒng)控制器中，只需要通過配置電機(jī)激勵(lì)之間的最低閾值就能夠控制這種情況。

在設(shè)計(jì)中使用映射數(shù)據(jù)
一旦完成了映射并且知道了理想的速度曲線，就可以選擇最佳的SLA取值。對(duì)于給定系統(tǒng)而言，它將代表效率最高的工作點(diǎn)?？梢酝ㄟ^動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電機(jī)控制變量，如電流驅(qū)動(dòng)、加速度和速度，以避免出現(xiàn)會(huì)損害效率的問題，如機(jī)械共振和過大的驅(qū)動(dòng)電流。無傳感器/反電動(dòng)勢(shì)方法的優(yōu)勢(shì)在于，來自傳感器的反饋不是簡(jiǎn)單的二元信息，而是可以用于從電機(jī)獲得詳細(xì)的診斷信息，而且不會(huì)額外增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，就又使得我們能夠使用SLA的細(xì)微變化來進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而避免丟步。