步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)淺析

【摘 要】步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字電機(jī)，具有無(wú)累積誤差、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中。步進(jìn)電機(jī)作為一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行器件，具有定位精度高、動(dòng)態(tài)力矩大、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以直接采用數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了概述，研究了其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī);控制系統(tǒng);矩頻;運(yùn)行

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的機(jī)電一體化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。和其它電機(jī)不同之處在于它只接收脈沖控制信號(hào)，交直流電源直接供電，電機(jī)無(wú)法工作，使用時(shí)必須匹配合適型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供給脈沖信號(hào)，所以步進(jìn)電機(jī)性能的好壞很大程度上由配套的驅(qū)動(dòng)器性能決定。驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不同，電機(jī)的工作性能有明顯的高低之分。由于步進(jìn)電機(jī)有成本低、易于控制、定位準(zhǔn)確及步距誤差不長(zhǎng)期累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備、機(jī)械手、繪圖機(jī)、印刷和包裝設(shè)備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動(dòng)化領(lǐng)域中。

一、步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電機(jī)，運(yùn)動(dòng)形式為步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。按脈沖信號(hào)的作用效果可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式。每相依次輪流脈沖激勵(lì)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為角位移量叫做旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)，若是直線式運(yùn)動(dòng)形式則稱為直線電機(jī)。應(yīng)用最常見(jiàn)的是旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)，所以一般稱步進(jìn)電機(jī)都是指旋轉(zhuǎn)式的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的步距角標(biāo)注在電機(jī)銘牌上，表示電機(jī)在一個(gè)電脈沖信號(hào)激勵(lì)下轉(zhuǎn)過(guò)的角度。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只受脈沖信號(hào)作用，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比關(guān)系，所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度也與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖信號(hào)頻率可以很方便的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，除此之外，步進(jìn)電機(jī)還擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電機(jī)包含部件少，可靠性高。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，不需要換向器等易損器件，相比其他電機(jī)可靠性更高，電機(jī)部件較少，使用壽命更長(zhǎng)。

（2）無(wú)積累誤差，可直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。雖然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)一步的位移量與理論的步距角之間總有一定的誤差，但因步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊性，轉(zhuǎn)子步距角誤差不會(huì)將每次誤差疊加。所以，同樣成本下，步進(jìn)電機(jī)無(wú)傳感器的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，比其他電機(jī)的控制精度和定位更精確。

（3）步距角選擇范圍大且與環(huán)境無(wú)關(guān)。步距角是電機(jī)的本質(zhì)屬性，每個(gè)電機(jī)的步距角都是固定不變的，與溫度、濕度、電壓等使用條件無(wú)關(guān)。而且步距角可通過(guò)細(xì)分技術(shù)在很大范圍內(nèi)選擇，細(xì)分技術(shù)可以將步距角細(xì)分到千分位。

（4）簡(jiǎn)易便捷的定位控制。由于步進(jìn)電機(jī)固有步距角不會(huì)改變，通過(guò)計(jì)算旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖，結(jié)合細(xì)分技術(shù)很容易控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，比伺服電機(jī)簡(jiǎn)易便捷。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用比較廣泛，相比于昂貴的伺服控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的性價(jià)比很高，在數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、紡織機(jī)等設(shè)備中，步進(jìn)電機(jī)是首選的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是步進(jìn)電機(jī)本身也有著以下明顯的不足之處：

（1）存在丟步或過(guò)沖、振蕩有噪聲現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)的繞組能量過(guò)剩或者不足導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度快或慢于磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度，就會(huì)發(fā)生過(guò)沖或失步現(xiàn)象。電機(jī)在失步情況下運(yùn)行，振蕩更加明顯，嚴(yán)重時(shí)伴有呼嘯聲，并且電機(jī)的繞組發(fā)熱加劇，影響電機(jī)壽命。

（2）運(yùn)行矩頻特性。速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻率在寬范圍內(nèi)進(jìn)行平滑變化，在控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，能維持不失步運(yùn)行的最高頻率稱為運(yùn)行頻率，隨著頻率的不斷升高，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之下降的特性稱為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性。

（3）具有起動(dòng)頻率和起動(dòng)矩頻特性。起動(dòng)頻率不能太高，否則會(huì)堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致電機(jī)失步，無(wú)法起動(dòng)。

雖然步進(jìn)電機(jī)存在這些缺點(diǎn)，但隨著驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的性能有了顯著的改善，克服步進(jìn)電機(jī)的缺陷，最大利用機(jī)構(gòu)的使用性能，使步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的更加寬廣，設(shè)計(jì)高性能的驅(qū)動(dòng)器顯得尤為重要。

二、步進(jìn)電機(jī)分類

步進(jìn)電機(jī)的種類較多，按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般將步進(jìn)電機(jī)劃分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三大類，其中應(yīng)用最多的是混合式步進(jìn)電機(jī)。按相數(shù)可分為二相和多相兩種。三大類型的步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)特點(diǎn)介紹如下：

（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱 VR） VR 的轉(zhuǎn)子是易于磁化、易于退磁的軟磁材料，具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率。定子上分布著繞組，繞組數(shù)由相數(shù)決定，轉(zhuǎn)子和繞組的磁極上都有小齒。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，步距角小，但動(dòng)態(tài)特性較差。電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩低，容易振蕩。

（2） 永磁式步進(jìn)電機(jī)（Permanent Magnet，簡(jiǎn)稱 PM） PM 的轉(zhuǎn)子是由永久磁鋼材料制成，具有磁性。定子的磁極上沒(méi)有齒，轉(zhuǎn)子和定子的極數(shù)相同，步距角通常比較大。PM 的扭矩寬硬，動(dòng)態(tài)特性好，但步距角太大導(dǎo)致高速性能差，電機(jī)更容易震蕩。

（3） 混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid，簡(jiǎn)稱 HB） HB 結(jié)合了 VR 和 PM 兩者的優(yōu)點(diǎn)。既具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角小特點(diǎn)，又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大、繞組電感小等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子是永磁體，定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)即可，因此電機(jī)效率高、電流小、發(fā)熱低。

三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換角位移的精確元件，它受脈沖信號(hào)控制，其位移與輸入數(shù)字脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比的關(guān)系。通常步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)包括脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng)器兩部分。

步進(jìn)電機(jī)需要數(shù)字脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以不能直接在交直流電源上工作，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)數(shù)字脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分配。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的工作性能，除與電機(jī)本身的性能和控制方法有關(guān)外，驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)劣也是一個(gè)重要因素。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載已經(jīng)確定之后，整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能就取決于驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制方法。驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不同導(dǎo)致的步進(jìn)電機(jī)性能上的差異十分明顯，主要體現(xiàn)在輸出力矩的大小，電機(jī)的響應(yīng)速度、在固有頻率點(diǎn)附近抖動(dòng)等方面。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)將能明顯提高步進(jìn)電機(jī)的性能胃。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，目前常用的驅(qū)動(dòng)方式有恒流斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)等。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式只控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流的通斷，因此，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)不變的情況下，要想提高運(yùn)行時(shí)的分辨率只能改變繞組的相數(shù)。采用電流控制技術(shù)可以方便地將步進(jìn)電機(jī)的步距角進(jìn)行細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，這使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性得到了很大程度的提高。

在眾多類型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為普遍，但是步進(jìn)電機(jī)及其系統(tǒng)存在低速容易振蕩、高速轉(zhuǎn)矩變小、失步等缺點(diǎn)，已成為阻礙步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的一些制約性因素，所以步進(jìn)電機(jī)常常用于低速驅(qū)動(dòng)。但在一些既需要低速運(yùn)行，又需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)有力矩的場(chǎng)合，滿足驅(qū)動(dòng)要求的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究顯得迫在眉急，否則整個(gè)設(shè)備的工作效率將會(huì)下降，以致影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景。另外，步進(jìn)電機(jī)需要有升降速過(guò)程才能運(yùn)行平穩(wěn)，即步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)特性。開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，如果加在電機(jī)上脈沖信號(hào)頻率過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)失步或振蕩，電機(jī)會(huì)抖動(dòng)并有呼嘯聲。因此，研制高性能的驅(qū)動(dòng)控制器，既對(duì)提高我國(guó)在這方面的科學(xué)技術(shù)水平起到一定的促進(jìn)作用，又具有極大的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：宋?。?986—），男，漢族，山東壽光人，濰坊科技學(xué)院教師，講師，研究方向：微電子。