步进电机控制方式(步进电机控制方案的论证)

1、控制方式的确定

步进电动机的控制相对准确，但是步进电动机的开环控制系统具有成本低，控制简单，方便的优点。 CP控制系统（使用单片机的步进电机开环系统）的脉冲频率或换向周期实际控制着步进电机的运行速度。该系统可以通过两种方式实现步进电机的速度控制。一个是延迟，另一个是时间。延迟方法是在每次换向之后调用延迟子程序，并在延迟结束后再次执行换向，以便可以重复发送特定频率的CP脉冲或换向周期。延迟子程序的延迟时间与换向程序所用的时间之和为CP脉冲周期，此方法简单且消耗资源少。全部通过软件实现。通过调用不同的子例程，可以获得不同的操作速度。但是，这在CPU上花费很长时间，并且在运行时无法处理其他任务。因此，它仅适用于更简单的控制过程。该定时方法利用单片机系统的定时定时功能产生任意周期的定时信号，可以方便地控制系统输出的CP脉冲的周期。当计时器启动时，计时器从加载的初始值开始对系统进行计数并开始计时，当计时器溢出时，计时器产生一个中断，系统发送执行计时器中断子程序。将电动机换向子程序放入定时中断服务程序中，在定时中止一次，对电动机进行一次换向，以实现电动机的速度控制。 定时时间增加是因为从装入定时器到重新启动定时器到应用中断为止有一定的时间间隔，为减少定时错误并获得正确的定时，需要重新装入次数的初始值。应该对其进行相应的调整。重新安装的调整后的初始值主要考虑两个因素，一个是中断响应所需的时间。第二个是重新安装初始值命令所花费的时间，包括在重新安装初始值之前中断服务程序的任何其他命令元素。结合这两个因素，重新安装数量的初始值的数量量化为8个机器周期，因此计时时间应缩短为8个机器周期。使用定时中断模式控制电机速度时，定时器负载值的大小实际上连续变化。在控制过程中，采用离散方法来逼近理想的加速和减速曲线。系统设计计算每个单独点的速度，以减少在每个步骤计算载荷值的时间。

所需的负载值固定在系统的ROM中，系统在工作期间使用查找表方法查找所需的负载值，从而大大减少了CPU占用的时间并加快了响应速度。大多数步进电机运动控制系统由于成本低廉，因此可以在开环条件下运行，并且可以提供运动控制技术的独特位置控制而无需反馈。但是，闭环控制也是一种选择，因为某些应用需要更高的可靠性，安全性或产品质量保证。这是实现步进电机闭环控制的一些方法。

1）步验证，这是简单的位移控制，它使用低值光学编码器来计算步移动数。为了进行命令验证，我们将步进电机与一个简单的循环进行比较，以查看步进电机是否移至预期位置。

2）反电动势，一种无传感器的检测方法，通过使用步进电机的反电动势（eleCtromotiveforCe，emf）信号来测量和控制速度。当反电动势电压下降到监视检测水平时，闭环控制将转换为标准开环以完成终位移。

3）完全伺服控制是指始终使用步进电机上的反馈设备（编码器，解码器或其他反馈传感器）来更精确地控制步进电机的位移和转矩。

其他方法包括一些制造公司使用的各种反电动势控制电机参数的测量和软件技术。在此，步进驱动器监视和测量电机线圈，并使用电压和电流信息来改善步进电机的控制。正阻尼使用此信息来阻止振动速度，生成更多可用的扭矩输出，并减少扭矩的机械振动损失。无编码器安装监视使用信息来检测同步速度的损失。

传统的步进电机控制一般采用反馈装置和无感测方法，这是实现具有安全要求，危险条件或高精度要求的运动应用的有效途径。

大多数基于步进电机的系统通常在开环条件下运行，因此我们可以提供廉价的解决方案。实际上，步进系统可以提高位移控制的性能，并且不需要反馈。但是，如果步进电机开环运行，则命令的步长和实际步长之间可能会失去同步。

闭环控制是现有步进控制的一部分，可以有效地提供更高的可靠性，安全性或产品质量。在这样的步进系统中，反馈设备的闭环或间接参数检测方法可以纠正或控制失步，监视电机停滞并确保更大的可用扭矩输出。在不久的将来，步进电机的闭环控制（CLC）可能有助于实现智能分布式运动架构。但是，在开环操作中存在失步定位错误的风险。但是，与伺服系统中使用的编码器相比，闭环步进电机的编码器成本较低。因此，选择了闭环控制。

2、驱动方式的确定

通常有两种驱动步进电机的方法，一种是直接通过CPU驱动它，这通常是不合适的，因为CPU的输出电流脉冲非常小，对于步进电机来说还不够。回转;另一种方法是通过CPU间接驱动以放大从CPU输出的信号，然后直接或通过光电隔离间接驱动步进电机，这种方法更安全，更可靠。在这种设计中，您必须使用CPU间接驱动步进电机。编码器提供的玉米卷饼发生器用作速度测量工具。由于您选择了闭环控制，因此必须有一个反馈元素。通常有两种类型的反馈元素。一种是使用同轴转速计来反馈速度。返回，在显示屏上显示并调整步进电机。另一种是通过光学同轴电编码器反馈步进电机的速度，以调整步进电机。将后者与步进电机进行比较。两种设计相对简单，便宜，安全，可靠，污染少。固态通常采用后者，并且仅使用光电器件作为反馈元件。

3、驱动电路的选择

步进电机有几种类型，但常用的是单电压驱动器，双电压驱动器，斩波器驱动器，细分控制驱动器等。在步进电机控制中，单电压驱动器是简单的驱动电路，本质上是单相逆变器。它的主要特点是工作效率低，特别是在高频下，结构简单。外部电阻器R消耗大量热量并影响电路的稳定性，因此通常仅用于低功率步进电机的驱动电路中。通常使用两个电源电压来驱动双电压驱动电路。两个电源，一个用于高压，另一个用于低压，也称为高压和低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是，电流的谷点出现在高压和低压连接中，这不可避免地降低了谷点处的转矩。它不适用于电动机的正常运行。对于斩波电路驱动器，可以克服这些缺点，并且还可以提高步进电机的效率。因此，从提高效率的角度来看，非常好的驱动电路可以通过使用较高的电源电压而无需外部电阻来限制额定电流并减小时间常数。但是，波形的顶部代表锯齿波，该锯齿波会产生较大的电磁噪声。细分驱动器由脉冲电压驱动。对于电压脉冲，转子可以旋转一级。通常，根据电压脉冲的分配方法，依次切换步进电动机的各相的绕组电阻。步进电动机的转子可以旋转。 用于细分控制的电路通常分为两类，一类是使用线性模拟功率放大器获得步进电流的方法，该方法简单但效率较低。另一种方法是使用单片机通过数字脉宽调制方法获得阶跃电流，这需要复杂的计算才能使细分后的阶跃角保持一致。但是，该设计需要相对较快的调节范围以实现步进电动机的精度，因此必须选择驱动器芯片（8713）进行驱动，并且可以通过软件来调节步进电动机的速度。

4、基本方案的确定

由于该设计的要求，选择了三相三位步进电机，并选择了89C51作为单片机的控制器。我选择使用8279驱动显示器和键盘。我们选择8713作为步进电机的驱动芯片，并通过光电耦合来驱动步进电机。然后，将步进电机的同轴光电编码器用作反馈元件，反馈信号由CPU处理，然后显示在显示器上。但是，用键盘输入的速度值应显示在显示屏上，该设计有两行显示，一行显示给定速度，另一行显示实际速度。系统的基本框图如下：

图1系统原理框图