步進電機控制方式(步進電機控制方案的論證)

1、控制方式的確定

步進電動機的控制相對準確，但是步進電動機的開環控制系統具有成本低，控制簡單，方便的優點。 CP控制系統（使用單片機的步進電機開環系統）的脈沖頻率或換向周期實際控制著步進電機的運行速度。該系統可以通過兩種方式實現步進電機的速度控制。一個是延遲，另一個是時間。延遲方法是在每次換向之后調用延遲子程序，并在延遲結束后再次執行換向，以便可以重復發送特定頻率的CP脈沖或換向周期。延遲子程序的延遲時間與換向程序所用的時間之和為CP脈沖周期，此方法簡單且消耗資源少。全部通過軟件實現。通過調用不同的子例程，可以獲得不同的操作速度。但是，這在CPU上花費很長時間，并且在運行時無法處理其他任務。因此，它僅適用于更簡單的控制過程。該定時方法利用單片機系統的定時定時功能產生任意周期的定時信號，可以方便地控制系統輸出的CP脈沖的周期。當計時器啟動時，計時器從加載的初始值開始對系統進行計數并開始計時，當計時器溢出時，計時器產生一個中斷，系統發送執行計時器中斷子程序。將電動機換向子程序放入定時中斷服務程序中，在定時中止一次，對電動機進行一次換向，以實現電動機的速度控制。 定時時間增加是因為從裝入定時器到重新啟動定時器到應用中斷為止有一定的時間間隔，為減少定時錯誤并獲得正確的定時，需要重新裝入次數的初始值。應該對其進行相應的調整。重新安裝的調整后的初始值主要考慮兩個因素，一個是中斷響應所需的時間。第二個是重新安裝初始值命令所花費的時間，包括在重新安裝初始值之前中斷服務程序的任何其他命令元素。結合這兩個因素，重新安裝數量的初始值的數量量化為8個機器周期，因此計時時間應縮短為8個機器周期。使用定時中斷模式控制電機速度時，定時器負載值的大小實際上連續變化。在控制過程中，采用離散方法來逼近理想的加速和減速曲線。系統設計計算每個單獨點的速度，以減少在每個步驟計算載荷值的時間。

所需的負載值固定在系統的ROM中，系統在工作期間使用查找表方法查找所需的負載值，從而大大減少了CPU占用的時間并加快了響應速度。大多數步進電機運動控制系統由于成本低廉，因此可以在開環條件下運行，并且可以提供運動控制技術的獨特位置控制而無需反饋。但是，閉環控制也是一種選擇，因為某些應用需要更高的可靠性，安全性或產品質量保證。這是實現步進電機閉環控制的一些方法。

1）步驗證，這是簡單的位移控制，它使用低值光學編碼器來計算步移動數。為了進行命令驗證，我們將步進電機與一個簡單的循環進行比較，以查看步進電機是否移至預期位置。

2）反電動勢，一種無傳感器的檢測方法，通過使用步進電機的反電動勢（eleCtromotiveforCe，emf）信號來測量和控制速度。當反電動勢電壓下降到監視檢測水平時，閉環控制將轉換為標準開環以完成終位移。

3）完全伺服控制是指始終使用步進電機上的反饋設備（編碼器，解碼器或其他反饋傳感器）來更精確地控制步進電機的位移和轉矩。

其他方法包括一些制造公司使用的各種反電動勢控制電機參數的測量和軟件技術。在此，步進驅動器監視和測量電機線圈，并使用電壓和電流信息來改善步進電機的控制。正阻尼使用此信息來阻止振動速度，生成更多可用的扭矩輸出，并減少扭矩的機械振動損失。無編碼器安裝監視使用信息來檢測同步速度的損失。

傳統的步進電機控制一般采用反饋裝置和無感測方法，這是實現具有安全要求，危險條件或高精度要求的運動應用的有效途徑。

大多數基于步進電機的系統通常在開環條件下運行，因此我們可以提供廉價的解決方案。實際上，步進系統可以提高位移控制的性能，并且不需要反饋。但是，如果步進電機開環運行，則命令的步長和實際步長之間可能會失去同步。

閉環控制是現有步進控制的一部分，可以有效地提供更高的可靠性，安全性或產品質量。在這樣的步進系統中，反饋設備的閉環或間接參數檢測方法可以糾正或控制失步，監視電機停滯并確保更大的可用扭矩輸出。在不久的將來，步進電機的閉環控制（CLC）可能有助于實現智能分布式運動架構。但是，在開環操作中存在失步定位錯誤的風險。但是，與伺服系統中使用的編碼器相比，閉環步進電機的編碼器成本較低。因此，選擇了閉環控制。

2、驅動方式的確定

通常有兩種驅動步進電機的方法，一種是直接通過CPU驅動它，這通常是不合適的，因為CPU的輸出電流脈沖非常小，對于步進電機來說還不夠?；剞D;另一種方法是通過CPU間接驅動以放大從CPU輸出的信號，然后直接或通過光電隔離間接驅動步進電機，這種方法更安全，更可靠。在這種設計中，您必須使用CPU間接驅動步進電機。編碼器提供的玉米卷餅發生器用作速度測量工具。由于您選擇了閉環控制，因此必須有一個反饋元素。通常有兩種類型的反饋元素。一種是使用同軸轉速計來反饋速度。返回，在顯示屏上顯示并調整步進電機。另一種是通過光學同軸電編碼器反饋步進電機的速度，以調整步進電機。將后者與步進電機進行比較。兩種設計相對簡單，便宜，安全，可靠，污染少。固態通常采用后者，并且僅使用光電器件作為反饋元件。

3、驅動電路的選擇

步進電機有幾種類型，但常用的是單電壓驅動器，雙電壓驅動器，斬波器驅動器，細分控制驅動器等。在步進電機控制中，單電壓驅動器是簡單的驅動電路，本質上是單相逆變器。它的主要特點是工作效率低，特別是在高頻下，結構簡單。外部電阻器R消耗大量熱量并影響電路的穩定性，因此通常僅用于低功率步進電機的驅動電路中。通常使用兩個電源電壓來驅動雙電壓驅動電路。兩個電源，一個用于高壓，另一個用于低壓，也稱為高壓和低壓驅動電路。雙電壓驅動電路的缺點是，電流的谷點出現在高壓和低壓連接中，這不可避免地降低了谷點處的轉矩。它不適用于電動機的正常運行。對于斬波電路驅動器，可以克服這些缺點，并且還可以提高步進電機的效率。因此，從提高效率的角度來看，非常好的驅動電路可以通過使用較高的電源電壓而無需外部電阻來限制額定電流并減小時間常數。但是，波形的頂部代表鋸齒波，該鋸齒波會產生較大的電磁噪聲。細分驅動器由脈沖電壓驅動。對于電壓脈沖，轉子可以旋轉一級。通常，根據電壓脈沖的分配方法，依次切換步進電動機的各相的繞組電阻。步進電動機的轉子可以旋轉。 用于細分控制的電路通常分為兩類，一類是使用線性模擬功率放大器獲得步進電流的方法，該方法簡單但效率較低。另一種方法是使用單片機通過數字脈寬調制方法獲得階躍電流，這需要復雜的計算才能使細分后的階躍角保持一致。但是，該設計需要相對較快的調節范圍以實現步進電動機的精度，因此必須選擇驅動器芯片（8713）進行驅動，并且可以通過軟件來調節步進電動機的速度。

4、基本方案的確定

由于該設計的要求，選擇了三相三位步進電機，并選擇了89C51作為單片機的控制器。我選擇使用8279驅動顯示器和鍵盤。我們選擇8713作為步進電機的驅動芯片，并通過光電耦合來驅動步進電機。然后，將步進電機的同軸光電編碼器用作反饋元件，反饋信號由CPU處理，然后顯示在顯示器上。但是，用鍵盤輸入的速度值應顯示在顯示屏上，該設計有兩行顯示，一行顯示給定速度，另一行顯示實際速度。系統的基本框圖如下：

圖1系統原理框圖