步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的PID控制PID控制作為一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制方法,在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是當(dāng)初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本的主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。

步進(jìn)電機(jī)的PID控制

PID 控制作為一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制方法 , 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨。它根據(jù)給定值 r( t) 與實(shí)際輸出值 c(t) 構(gòu)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(gòu)成控制量 ,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制 。文獻(xiàn)將集成位置傳感器用于二相混合式步進(jìn)電機(jī)中 ,以位置檢測(cè)器和矢量控制為基礎(chǔ) ,設(shè)計(jì)出了一個(gè)可自動(dòng)調(diào)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(xiàn)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ,設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)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(jī)向規(guī)定位置運(yùn)動(dòng) 。通過驗(yàn)證了該控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 。采用 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、魯棒性強(qiáng) 、可靠性高等優(yōu)點(diǎn) ,但是它無法有效應(yīng)對(duì)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(jié)合 , 形成帶有智能的新型復(fù)合控制 。這種智能復(fù)合型控制具有自學(xué)習(xí) 、自適應(yīng) 、自組織的能力 ,能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過程參數(shù) , 自動(dòng)整定控制參數(shù) , 適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化 ,同時(shí)又具有常規(guī) PID 控制器的特點(diǎn)。

詳解導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)的原因

強(qiáng)行使電機(jī)以要求的速度(大于極限起動(dòng)預(yù)率)直接起動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生“丟步’或無響應(yīng)。而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，雖然已經(jīng)立即停止發(fā)脈沖，令其停止，但由于慣性作用，會(huì)發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，即產(chǎn)生過沖。    

由于慣性作用產(chǎn)生過沖現(xiàn)象并出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)確的主要原因有以下幾點(diǎn)：     

（1）要求步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)之初速度過高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過步進(jìn)電機(jī)的極限起動(dòng)頻率，或者說是加速度太大，從而造成“丟布”情況；     

（2）步機(jī)電機(jī)馬達(dá)的功率達(dá)不到系統(tǒng)的要求；     

（3）步進(jìn)電機(jī)在工作過程中或許遭受到干擾導(dǎo)致電機(jī)定位不準(zhǔn)；     

（4）控制系統(tǒng)的控制器產(chǎn)生失誤動(dòng)作；     

（5）換向時(shí)丟脈沖，單向運(yùn)行定位準(zhǔn)確，換向后定位出現(xiàn)偏差，并隨著換向次數(shù)的增加導(dǎo)致其偏差值就越明顯；     

（6）軟件存在設(shè)計(jì)缺陷；     

由于開環(huán)控制系統(tǒng)具有操作方便，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，所以我國所采用基本是以開環(huán)控制反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電機(jī)怎么選型，針對(duì)步進(jìn)電機(jī)使用環(huán)境來選擇特種步進(jìn)電機(jī)能夠防水、防油，用于某些特殊場(chǎng)合。雖然步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛，但其并不能如同普通的交(直)流電機(jī)在常規(guī)條件下使用，且從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行速度在理論狀況下，在電機(jī)的極限起動(dòng)頻率大于運(yùn)行的速度時(shí)，電機(jī)可按要求運(yùn)行，并可達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行速度。運(yùn)行至行程結(jié)束時(shí)，也能立即發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)停止功能的脈沖，并使電機(jī)停止運(yùn)行。但實(shí)際情況是，步進(jìn)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)的極限起動(dòng)預(yù)率較低，遠(yuǎn)不能滿足較高的運(yùn)行速度的要求。在這種工作狀況下，強(qiáng)行使電機(jī)以要求的速度(大于極限起動(dòng)預(yù)率)直接起動(dòng)，則會(huì)發(fā)生“丟步”或無響應(yīng)。而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，雖然已經(jīng)立即停止發(fā)脈沖，令其停止，但由于慣性作用，會(huì)發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，即產(chǎn)生過沖。      

需要我們特別注意的問題是，為了要保證系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度并獲得較高的定位速度，主流系統(tǒng)都將定位過程劃分為兩種階段進(jìn)行。然后再對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分配，去控制功率放大器相應(yīng)的晶體管導(dǎo)通，然后使步進(jìn)電機(jī)的線圈得電。分別為：粗定位階段及精定位階段。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，“丟步”和“過沖”是步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中很常出現(xiàn)的兩種嚴(yán)重影響步進(jìn)電機(jī)定位精度的“罪魁禍?zhǔn)住薄?

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號(hào)，通過其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電， 使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。步進(jìn)電機(jī)一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成，步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是由纏繞在電機(jī)定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。

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