二相混合式步進電機控制方式的研究現(xiàn)狀

電機的數(shù)學模型是控制算法的基礎，步進電機的數(shù)學模型也是因為數(shù)學理論的成熟逐漸發(fā)展起來，其中Singh-Kuo模型是有代表性的模型，這個模型忽略了磁滯和渦流損耗，假設相繞組中產(chǎn)生的磁鏈隨轉子位置角按正弦規(guī)律變化，繞組電感與轉子位置無關等;之后出現(xiàn)了較S ingh-Ku。的改進型的Pickup-Russell模型，該模型認為繞組磁鏈是繞組電流和轉子位置的函數(shù)[0l; A.C.Leenhouts等人借鑒Pickup-Russell模型將繞組磁鏈隨電流變化關系用電感系數(shù)來表示，提出Leenhouts模型 。

混合式步進電機系統(tǒng)的性能很大程度取決于控制器的優(yōu)劣，從前述可以看到步進電機主要有開環(huán)、閉環(huán)、矢量和智能控制等控制方式。開環(huán)控制使用方便，系統(tǒng)構成簡單且成本低，在精度要求不太高的場合有著廣泛的應用，至今也沒有合適的替代產(chǎn)品。但如前所說，這種方式存在一個振蕩的區(qū)域，尤其是低速運行時接近電機的共振區(qū)，此時振動和噪聲都比較大。但是對開環(huán)控制的改進也是不斷地在進行中，自1975年美國學者T. R. Frederickson首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法后[ysl，隨著微電子和電力電子技術的發(fā)展，當前世界上混合式步進電機新技術正處在高速的發(fā)展之中，智能控制的V}想進入了步進電機的驅動控制領域，還出現(xiàn)了具有實時可變的細分一功能驅動控制電路。通過這些年的發(fā)展，步進電機控制方式逐漸形成了升頻升壓控制，恒流斬波控制，細分控制，矢量控制，位置、速度反饋控制等控制方式，但是新型控制方式的運用還不成熟，也沒有出現(xiàn)相關產(chǎn)品，而國內(nèi)雖然研究上取得很大進步但不管是控制器還是控制軟件上看，和國外還有一定的差距。目前國內(nèi)外混合式步進電機控制系統(tǒng)在實際中主要有:基于微控制器設計的專用集成芯片，基于單片機微處理器等，基于CPLD和PFGA和基于 DSP實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，隨著各個新型控制方式的出現(xiàn)，將高運算速度、功能強大的DSP應用到控制器當中，也是目前研究的熱點方向

而隨著神經(jīng)網(wǎng)絡技術的發(fā)展，對于混合式步進電機這種數(shù)學模型難以得到的電機來說，神經(jīng)網(wǎng)絡卻提供了良好的控制工具。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種能自學習及自適應不確定系統(tǒng)的智能控制方法，它對很復雜的非線性系統(tǒng)都可以在很大程度上逼近模擬，并具有極好的容錯性和魯棒性，所以隨著神經(jīng)網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，各項研究也開始越來越多地關注其在步進電機系統(tǒng)中的應用。有研究將神經(jīng)網(wǎng)絡用于實現(xiàn)步進電機最佳細分電流，在學習中使用Bayes正則化算法，使用權值調整技術避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡陷入局部極小點，有效解決了等步距角細分問題。2100433B

因為在實際的應用當中，步進電機為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，所以設計中比較注重位置定位精確和產(chǎn)生較大轉矩等方面，從而在定轉子的設計中均為凸極結構并會在極上開有小齒，造成了氣隙磁場存在著較大的空間諧波，從而導致電機的轉矩脈動和轉速波動也會比較大，容易產(chǎn)生噪聲以至于振蕩。由于混合式步進電機的氣隙磁場分別是由轉子永磁體和定子勵磁繞組產(chǎn)生的，所以受磁路飽和的影響，當二者相互加強的時候，合成的磁通通常是小于兩者的線性疊加，這時電機的磁場處于過飽和狀態(tài)，運行效率比較低。另外從混合式步進電機的矩頻特性可以看出，在轉速達到一定數(shù)值后，輸出轉矩會很明顯的下降，容易失步，有關學者曾就此做了研究提出了降低電流參考值的處理方法，但是也只有一定效果，進一步還提出了減少匝數(shù)、增大電流的解決方案，還有人為了增大步進電機高頻時的輸出轉矩提出了減小電機繞組的L/R時間常數(shù)的方法 。

這些問題也歸結為一個振蕩和失步的問題。振蕩的根本原因是轉子到達平衡位置是還有多余的動能，對于此問題，一般采用阻尼和細分控制技術就可以達到較好的輸出效果，有些國外的學者通過建立共振檢測模型，調節(jié)勵磁繞組電流的方、法來改善步進電機的這個問題，還有在對步進電機繞組電流中的諧波分量進行分析過后，通過建立共振閥值模型來對繞組電壓進行補償?shù)霓k法。而失步的問題有研究顯示，轉子速度慢于步進電機旋轉磁場速度、步進電機及所帶負載存在的慣性、步進電機產(chǎn)生的共振等這些現(xiàn)象是嚴生失步的原因，可以通過優(yōu)化步進電機的加減速曲線，有效的應對慣性轉矩對失步產(chǎn)生的影響，還有采用細分控制技術解決這類問題。

從上述問題可以看出，混合式步進電機因其控制方面的要求，在設計電機本體的時候就對于電機的諧波控制、運行時的穩(wěn)定性能方面考慮較少，所以在高速運行時轉矩的下降會很快，同時工作時的運行效率變低，轉矩脈動比較明顯，造成較大的電機轉速波動和振動噪聲。但是上述問題提到的一些解決方法都是屬于步進電機開環(huán)控制方式下的優(yōu)化措施，這樣的條件下忽略了轉子永磁體產(chǎn)生的磁場對合成磁場發(fā)揮的作用，控制的效果并不是很好，所以在這種情況下采用其他控制方式則是另一個比較好的手段。

當兩相控制繞組按AA BB或BB AA的次序輪流通電，侮拍只有一相繞組通電，四拍構成一個循環(huán)。當控制繞組有電流通過時，便產(chǎn)生磁動勢，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢相互作用，產(chǎn)生電磁轉知，使轉子產(chǎn)生步進運動。

當A相繞組通電時，在轉子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉子N極，使得磁極1下是齒對齒，磁力線由轉子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒對槽。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，在轉子S極端，磁極1'和5’產(chǎn)生的S極磁場，排斥轉子S極，與轉子正好是齒對槽，磁極3’和7’齒面產(chǎn)生N極磁場，吸引轉子S極，使得齒對齒。

因轉子上共有50個齒，其齒距角為3600 /50=720_寧子仇個極即所占的街數(shù)為不是整數(shù)，因此當定子的A相通電，在轉子N極，磁極1的5個齒與轉子齒對齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉子齒有1/4齒距的錯位，即1.80，A相磁極3的齒和轉子就會錯位3.6 0，實現(xiàn)齒對槽了。磁力線是沿轉子N端~A(1)S磁極~導磁環(huán)~A(3' )N磁極~轉子S端~轉子N端，成一閉合曲線。當A相斷電B相通電時，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉子7齒，使得轉子沿順時針方向轉過1.80，實現(xiàn)磁極2和轉子齒對齒，此時磁極3和轉子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉子就按順時針方向一步一步地轉動，侮通電一次即侮來一個脈沖轉子轉過1.80，即稱步距角為1.80，轉子轉過一圈需要3600 /1.80 =200個脈沖 。

在轉子S極端也是同樣道理，當繞組齒對齒時，其旁邊一相磁極錯位1.803步進電機驅動器步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作。驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動。

步進電機42BYG250C的驅動器為SH20403。為lOV} 40V直流供電，A , A-,B , B-端子要連接步進電機的四條引線，DC , DC-端子接驅動器工作直流電源，輸入接口電路包括公共端(接輸入端子電源正極)、脈沖信號輸入端(輸入一系列脈沖，內(nèi)部分配以驅動步進電機A,B相)、方向信號輸入端(可實現(xiàn)步進電機的正、反轉)、脫機信號輸入端 。

步進電機驅動器輸入端子功能:

公共端:將輸入信號的電源正極連接到該端子上，為CP,DIR, FREE端子提供，此時對應的內(nèi)部光禍導通，控制信號輸入驅動器中。

脈沖信號輸入CP:此端子和57-200的高速脈沖輸出端(Q0.0或Q0.1)相連，以發(fā)出連線高速脈沖驅動步進電機。

方向信號輸入DIR:此端子和57-200的輸出端Q0.2相連，其高電平和低電平控制電機的兩個轉向。

脫機信號FREE:此端為低電平有效，這時電機處于無力知狀態(tài)

工業(yè)控制中采用的定子磁極上帶有小齒，轉子齒數(shù)很多的結構，其步距角可以做得很小。圖2混合式步進電機繞組接線圖中A,B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，1,3,5,7磁極屬于A相繞組，2, 4, 6, 8磁極屬于B相繞組，定子侮個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉子軸向分為兩個磁極。轉子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉子的齒距和齒寬相同 。

混合式步進電動機內(nèi)部結構特殊，是一類高度非線性的機電裝置。 1986年Hanselman采用磁場的“磁網(wǎng)絡單元法”來計算反應式步進電機的磁場。1988年，G Heine提出了精確的混合式步進電機的等值磁網(wǎng)絡模型，首次在模型中考慮了定子極間漏磁通，每極邊緣轉矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進電機諧波轉矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費的機時量仍然很大 。

為簡化數(shù)學分析， 沿用G.Heine提出的混合式步進電機等值磁網(wǎng)絡模型，以典型的二相八極混合式步進電動機，忽略鐵心飽和和高次諧波對電機磁系統(tǒng)的影響 (鐵心飽和和高次諧波往往是步進電機極限運行時的狀況，正常運行時，不會對定性分析的結論有原則性的影響)，建立了分析細分驅動的簡化基本數(shù)學模型?；旌鲜讲竭M電動機繞組電感參數(shù)的特點與普通電機有區(qū)別，具有軸向和徑向混合的磁系統(tǒng)，定轉子雙凸結構。在二相混合式步進電機磁網(wǎng)絡模型簡化磁路圖中，定子八個極中在直徑上相對的兩個極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機的每一端只有4條支路。

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自戴化設備中。

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當步進驅私器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進申機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。

混合式步進電機由定子和轉子兩部分組成。常見的定子有8個極或4個極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個方向通電，形成A相和萬相，B相和B相。它的轉子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯開半個齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉子片的極性相反。混合式步進電機的結構圖如圖3-1.圖3-2是四相混合式步進電機以圓周展開的剖面模型。圖3-2上圖是轉子S極所出的剖面圖，圖3-2下圖是N極剖面圖。圖3-2中，定子齒距和轉子齒距相同。先考慮磁極I和磁極IB下面的磁場。定子線圈通電后，磁極I產(chǎn)生N極，磁極m產(chǎn)生S極 。

因為N極這段的轉子齒和S極轉子齒相互錯開半個齒距，所以，僅靠定子電流磁場并不能向磁阻式電機那樣產(chǎn)生有意義的轉矩。但是，把永久磁鋼產(chǎn)生的磁場疊加上去，情況就不一樣了。因為磁極I下面的兩冷磁場相互增強，因此產(chǎn)生向左的驅動力;而磁極m下面的兩個分量相互抵消，向右的力大大削弱。再看圖3-2下圖，磁極m下面的定子磁場和轉子磁場方向相同，磁極I下面的磁場方向相反，最終得到向左的合力。轉子在驅動力的作用下將轉過工齒距，驅動力降為零，達到平衡位置。

如果切斷磁極I、III的激磁，同時向磁極II , IV上的線圈通入電流，分別產(chǎn)生S極和N極。轉子將向左再走一步。按照特定的時序激磁，如A-B -A -B-A-"'，電機就能沿逆時針方向連續(xù)旋轉。改變激磁時序，以A-B-A-B-A-…激磁，電機將沿順時針方向連續(xù)旋轉。

DV245是基于DSP控制的二相混合式步進電機驅動器,是新一代數(shù)字式步進電機驅動器。驅動電運行平穩(wěn)，震動和噪音極小。定位精度最高可達40000步/轉。該產(chǎn)品廣泛應用于雕刻機、中型數(shù)控機床、電腦繡花機、包裝機械等分辨率較高的小、中型數(shù)控設備上。

步進電機PID 控制

PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 , 在步進電機驅動中獲得了廣泛的應用。它根據(jù)給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ,對被控對象進行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中 ,以位置檢測器和矢量控制為基礎 ,設計出了一個可自動調節(jié)的 PI 速度控制器 ,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態(tài)特性 。文獻根據(jù)步進電機的數(shù)學模型 ,設計了步進電機的 PID 控制系統(tǒng) ,采用 PID 控制算法得到控制量 ,從而控制電機向指定位置運動 。最后 ,通過仿真驗證了該控制具有較好的動態(tài)響應特性 。采用 PID 控制器具有結構簡單 、魯棒性強 、可靠性高等優(yōu)點 ,但是它無法有效應對系統(tǒng)中的不確定信息 。

目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 , 形成帶有智能的新型復合控制 。這種智能復合型控制具有自學習 、自適應 、自組織的能力 ,能夠自動辨識被控過程參數(shù) , 自動整定控制參數(shù) , 適應被控過程參數(shù)的變化 ,同時又具有常規(guī) PID 控制器的特點。

步進電機自適應控制

自適應控制是在 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的自動控制領域的一個分支 。它是隨著控制對象的復雜化 ,當動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預測的變化時 ，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的 。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應速度快 ,能有效地克服電機模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響 ,是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據(jù)步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩(wěn)定的自適應控制算法 , 這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數(shù) 。文獻將閉環(huán)反饋控制與自適應控制結合來檢測轉子的位置和速度 , 通過反饋和自適應處理 ,按照優(yōu)化的升降運行曲線 , 自動地發(fā)出驅動的脈沖串 ，提高了電機的拖動力矩特性 ，同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉速 。

目前 ，很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合 ，以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ，確保了轉動脈矩的最大化補償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實現(xiàn)的自適應模糊 PID 控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化 ，通過模糊推理在線調整 PID參數(shù) ，實現(xiàn)對步進電機的自適應控制 ,，從而有效地提高系統(tǒng)的響應時間 、計算精度和抗干擾性 。

步進電機矢量控制

矢量控制是現(xiàn)代電機高性能控制的理論基礎 ,可以改善電機的轉矩控制性能 。它通過磁場定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量分別加以控制 ，從而獲得良好的解耦特性 ，因此 ，矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ,又需要控制電流的相位 。由于步進電機不僅存在主電磁轉矩 ，還有由于雙凸結構產(chǎn)生的磁阻轉矩 ，且內(nèi)部磁場結構復雜 , 非線性較一般電機嚴重得多 , 所以它的矢量控制也較為復雜 。推導出了二相混合式步進電機 d-q 軸數(shù)學模型 ,以轉子永磁磁鏈為定向坐標系 ,令直軸電流 id =0 ,電動機電磁轉矩與 iq 成正比 , 用PC 機實現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng) 。系統(tǒng)中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉自位置 ,用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文推導出基于磁網(wǎng)絡的二相混合式步進電機模型 , 給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結構 ,采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型參考自適應控制策略對系統(tǒng)中的不確定因素進行實時補償 ，通過最大轉矩/電流矢量控制實現(xiàn)電機的高效控制 。

步進電機智能控制的應用

智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)學模型 ，只按實際效果進行控制 ，在控制中有能力考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性 , 突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學模型的框架 。目前 , 智能控制在步進電機系統(tǒng)中應用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡和智能控制的集成 。

模糊控制

模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ，運用模糊控制器的近似推理等手段 ，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結果的控制方式 ，模糊控制已廣泛應用于工業(yè)控制領域 。與常規(guī)控制相比 ，模糊控制無須精確的數(shù)學模型 , 具有較強的魯棒性 、自適應性 , 因此適用于非線性 、時變 、時滯系統(tǒng)的控制 。給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應用實例 。系統(tǒng)為超前角控制 ，設計無需數(shù)學模型 ，速度響應時間短 。

神經(jīng)網(wǎng)絡控制

神經(jīng)網(wǎng)絡是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓撲結構和學習調整的方法 。它可以充分逼近任意復雜的非線性系統(tǒng)，能夠學習和自適應未知或不確定的系統(tǒng) ，具有很強的魯棒性和容錯性，因而在步進電機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。將神經(jīng)網(wǎng)絡用于實現(xiàn)步進電機最佳細分電流 ，在學習中使用 Bayes 正則化算法 ,使用權值調整技術避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡陷入局部極小點 ，有效解決了等步距角細分問題 。