步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學并提出了步進電動機高精度定位系統(tǒng)的設計思想。【敘?詞】閉環(huán)系統(tǒng)／高精度定位是機電一體化產品中的關鍵元件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。它能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執(zhí)行元件。隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，自動化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。2步進電動機閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)比較[1-但是，的開環(huán)控制無法避免步進電動機本身所固有的缺點，即共振、振蕩、失步和難以實???步進電動機的閉環(huán)控制是采用位置反饋和（或）速度反饋來確定與轉子位置相適應的機的閉環(huán)控制性能與開環(huán)控制性能相比，具有如下優(yōu)點：???a．隨著輸出轉矩的增加，二者的速度均以非線性形式下降，但是，閉環(huán)控制提高了矩充分轉換成轉矩。???e.利用閉環(huán)控制，步進電動機可自動地、有效地被加速和減速。???f．閉環(huán)控制相對開環(huán)控制在快速性方面提高的定量評價，可借助比較Ⅳ步內通過某個路徑間隔的時間得出：式中n-步進電動機轉換拍數(shù)(N>n)???閉環(huán)驅動的的性能在所有方面均優(yōu)于開環(huán)驅動的步進電動機。閉環(huán)驅動具有步進電動控制的步進電動機將獲得廣泛應用。3編碼器形式的步進電動機闋環(huán)控制系統(tǒng)????的閉環(huán)控制最早是采用編碼器的形式，圖1是其原理示意圖。初始狀態(tài)，系統(tǒng)受一相到控制單元上，控制單元在“起動”脈沖的作用下，立即把步進命令送入相序發(fā)生器，使激磁變化一次，后續(xù)的脈沖則由編碼器裝置產生。編碼器每產生一個脈沖，就對法計數(shù)器減1，信號到控制單元，禁止以后的步進命令，系統(tǒng)停止工作。器的組合件，如圖2所示，槽口的數(shù)目等于電機每轉所走的步數(shù)。碼器，感應同步器增量編碼器等。???由于反饋編碼器價格昂貴，而且為了把編碼器安放到步進電動機的軸上，要求系統(tǒng)具有更大的體積，這二大缺陷限制了編碼器形式的步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用。4波形檢測形式的步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)????波形檢測形式的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理是通過對步進電動機相電流或繞組反電勢（或繞控制步進電動機運動。??????圖3是其原理圖。波形檢測器是由簡單的電子線路構成，價格便宜，如果需要，可直接安裝在控制器邏輯線路中，步進電動機不需附加的機械連接。利用電流檢測的步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)????用電流檢測的閉環(huán)控制是基于某些反應式步進電動機的相電流在一定速率范圍內出現(xiàn)個波峰，應在哪一種狀態(tài)下進行檢測，可根據(jù)電機的實際運行確定。如圖4所示，電流檢測可通過在電流回路中插入一個已知阻值的小電阻，測量電流通過時的電壓實現(xiàn)。波峰檢測線路一般均采用模擬微分法，波峰用di/dt經過零值表示。檢測原理圖如圖5所示。利用反電勢檢測的步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)從實質上講，就是一臺交流兩相同步電動機，可用圖6所示的模墅描述。???θ——轉子角位移???N——轉子齒數(shù)轉子位置信號體現(xiàn)在反電勢的相位上(sinNθ和cosNθ)。轉子的速度可由反電勢的幅值得出???由于步進電動機繞組中的反電勢反映了轉子的角位置和角速度，因此，構成反饋的關?輔助線圈法的原理如圖7所示，這個圖示出的僅是1相的回路，檢測線圈對繞在定子極???變壓器的初級線圈與定子繞組相串聯(lián)，次級線圈的感應電壓可寫成：???圖8所示的線路可仿真式(9)右邊的3項，其輸出即為反電勢Vim=KsinNθ·θ。????利用輔助線圈法和邏輯仿真法得到反電勢Uim后，就可對反電元，作為后續(xù)脈沖，就可形成閉環(huán)控制。???這種反電勢檢測形式的閉環(huán)控制，在低速運行時是很難的，因此，在實際運行時，需利用反電勢電流檢測的步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)???檢測由繞組反電勢所引起的電流，從而進行閉環(huán)控制，是一種線路比較簡單的閉環(huán)式中ω——轉角角速度(ω=θ)??閉環(huán)控制所需的反應脈沖可通過Id波形過零檢測實現(xiàn).電流差值信號Id則利用圖????無論是采取編碼器形式,還是采取波形檢測形式,要構成閉環(huán)檢測,形成后續(xù)脈沖.但是,要構成閉環(huán)系統(tǒng),單單能形成后續(xù)脈沖還是不過的,還必須能正確地懸著轉換角，即選擇形成5轉換角的選擇???通常轉換角小時所產生的穩(wěn)態(tài)轉速較高，而且不同運行頻率下，能夠產生最大（或最?。┓€(wěn)態(tài)轉矩的轉換角是不一樣的。α,可表示成：?????一臺步進電動機的典型運動過程，包括加速、穩(wěn)速、減速三個運動區(qū)段。這些運動狀態(tài)的實現(xiàn)，就是通過轉換轉角的改變來完成的，從式(15)和式(16)，可看出，只要通過速度反饋，適時改變轉換角，就能達到整個運動過程的轉矩最優(yōu)控制，提高帶載能力，另外，很值得說明的一點是，運動過程的轉矩最優(yōu)控制與運動過程的時間最優(yōu)控制是一致的。???閉環(huán)系統(tǒng)中，改變轉換角的方法有脈沖注入法和時間延遲法2種。使電機的換相順序發(fā)生改變，從而達到改變轉換角的目的。???所謂時間延遲法是在反饋器與控制單元之間加入一個時間延遲裝置，使反饋器發(fā)出換相信號與實際換相之間產生一定的時間間隔。???在有些情況下，為了使控制系統(tǒng)簡單化，常常選擇一個固定不變的轉換角。這個轉換角的選擇取決于電機一負載參數(shù)和要求走過的距離。如果目標位置離初加以補償。6步進電動機的高精度定位系統(tǒng)設想???經常作為伺服元件應用于數(shù)字控制系統(tǒng)的步進電動機，定位精度是一項基本的要求。作位置傳感器構成閉環(huán)系統(tǒng)，而且驅動電源也必須采用細分的形式。圖10是這種高精度定?????將指令所要求完成的角度作為預置角置入函數(shù)變壓器，使其原端抽頭處于預置位置，???X-對應匝數(shù)為Ⅳf函