步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的原理

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的定子一相繞組流過直流電流時(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)矩來說，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。

　　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)通過電壓驅(qū)動(dòng)，主要是通過控制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)試過的有三種分別是滑膜控制，PI鎖相環(huán)，無PI鎖相環(huán)。其中后面兩種效果最好。速度差可以通過補(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的無感控制，TI，ST，microchip都有類似的方案。

　　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，來計(jì)算時(shí)間常數(shù)。通過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)試過在TMS320F28027，034，STM32F103，xmc1302平臺(tái)。