步進電機開環控制的原理

2020-11-25 電子發燒友

步進電機開環控制的原理

發表於 2019-10-08 15:00:59

　　步進電機開環控制的原理

　　當步進電機的定子一相繞組流過直流電流時，最接近該相的轉子齒被定子相吸引，因產生的電磁轉矩大於負載轉矩，從而使轉子運動。當轉子轉動到電磁轉矩與負載轉矩平衡位置時，轉子就靜止不動了，此電磁轉矩也就把負載轉至需要定位的位置。然後再對下一相施加激磁電流，另外一個最接近該相的轉子齒被吸引，負載被該相電磁轉矩驅動，移動1個步距角，到達下一個靜止位置。激磁相切換的次數與頻率決定了轉子旋轉的最終角度與速度。切換相的次數與步距角的乘積為步進（專有名詞為步動作增加的角度）角度，此值決定最終靜止位置。相對負載轉矩來說，如步進電機產生的轉矩足夠大，則切換指令就能驅動負載，作位置控制。此時的位置平衡力是由步進電機靜態轉矩產生的。

　　如下圖表示兩相PM型步進電機的各相矩角特性曲線的情況。當「槓A」相繞組激磁時，要使帶負載的轉子產生位移，負載應在轉子與A相的作用力範圍內。「槓A」相激磁繞組通電時的定子與轉子的位置關係如圖上部所示。激磁相「槓A」的矩角特性用實曲線表示；其他相繞組激磁時，產生的矩角特性曲線用虛線表示。

　　在輕載或空載時，靜態轉矩由所在位置決定，故「槓A」相轉矩沿曲線箭頭方向移動到其與橫軸的交點C1點；實際上，轉子停在轉矩曲線上負載平衡點。

　　依次，B相如果激磁，則轉子停在點b1點，b1-C1的角度差為步距角。

　　變速控制可使用開環控制（OPENLOOP）方式，改變速度只需要改變切換頻率的指令，相當於變頻同步電機的功能。

　　

　　步進電機開環控制的要點

　　1、電流環

　　目前市場上的電機一般電感和電阻較小，很少像老式步進通過電壓驅動，主要是通過控制AB相電流進行電流控制。電流為相差為90度的正弦波。驅動多採用H橋的控制方式，兩個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相電流獨立控制，一種給正弦參考信號，一相給餘弦參考信號。另一種是直流控制，類似矢量控制，將AB兩相進行坐標變換，控制DQ的電流。據我所知，目前市場上的驅動多以交流控制為主。

　　2、速度辨識

　　步進電機的中速容易震蕩，多通過速度或加速度辨識進行阻尼補償，提高中速和高速的穩定性。速度辨識個人測試過的有三種分別是滑膜控制，PI鎖相環，無PI鎖相環。其中後面兩種效果最好。速度差可以通過補償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、反電勢補償

　　步進電機極對數通常為50，所以反電勢係數較大，通常500rpm以上，電機已工作於弱磁升速的階段，所以適當的反電勢補償會有利於提高電機的響應速度，在速度辨識中，通常需要反電勢數據進行速度和位置辨識，反電勢補償可以採用速度辨識的結論和中間量。

　　4、參數辨識

　　市面上的步進電機巨多，不同廠商，參數不一，驅動器的通用性就要求驅動器可以驅動不同的電機。速度辨識以及電流環的PI參數的整定階段一般需用到電阻和電感數據。個人採用的方法是上電時給定一個恆定電流，關閉所有管子讓電流自然續流，測試恆定電流降低1A所用的時間，來計算時間常數。通過給定第二次恆定電流就可以利用兩次恆定電流的壓差求出無死區影響的電阻，進而計算出電感值。

　　5、mcu選擇

　　mcu的選擇主要關注計算量，個人測試過在TMS320F28027，034，STM32F103，xmc1302平臺。

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