步進電機開環(huán)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(zhuǎn)子齒被定子相吸引，因產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子運動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡位置時，轉(zhuǎn)子就靜止不動了，此電磁轉(zhuǎn)矩也就把負載轉(zhuǎn)至需要定位的位置。然后再對下一相施加激磁電流，另外一個最接近該相的轉(zhuǎn)子齒被吸引，負載被該相電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)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(shù)與頻率決定了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的最終角度與速度。切換相的次數(shù)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(zhuǎn)矩來說，如步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩足夠大，則切換指令就能驅(qū)動負載，作位置控制。此時的位置平衡力是由步進電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)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“杠A”相繞組激磁時，要使帶負載的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移，負載應在轉(zhuǎn)子與A相的作用力范圍內(nèi)?！案蹵”相激磁繞組通電時的定子與轉(zhuǎn)子的位置關系如圖上部所示。激磁相“杠A”的矩角特性用實曲線表示；其他相繞組激磁時，產(chǎn)生的矩角特性曲線用虛線表示。

　　在輕載或空載時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩由所在位置決定，故“杠A”相轉(zhuǎn)矩沿曲線箭頭方向移動到其與橫軸的交點C1點；實際上，轉(zhuǎn)子停在轉(zhuǎn)矩曲線上負載平衡點。

　　依次，B相如果激磁，則轉(zhuǎn)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(huán)控制（OPENLOOP）方式，改變速度只需要改變切換頻率的指令，相當于變頻同步電機的功能。

　　步進電機開環(huán)控制的要點

　　1、電流環(huán)

　　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(qū)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(qū)動多采用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，一相給余弦參考信號。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(jù)我所知，目前市場上的驅(qū)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(wěn)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(huán)，無PI鎖相環(huán)。其中后面兩種效果最好。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(shù)通常為50，所以反電勢系數(shù)較大，通常500rpm以上，電機已工作于弱磁升速的階段，所以適當?shù)姆措妱菅a償會有利于提高電機的響應速度，在速度辨識中，通常需要反電勢數(shù)據(jù)進行速度和位置辨識，反電勢補償可以采用速度辨識的結(jié)論和中間量。

　　4、參數(shù)辨識

　　市面上的步進電機巨多，不同廠商，參數(shù)不一，驅(qū)動器的通用性就要求驅(qū)動器可以驅(qū)動不同的電機。速度辨識以及電流環(huán)的PI參數(shù)的整定階段一般需用到電阻和電感數(shù)據(jù)。個人采用的方法是上電時給定一個恒定電流，關閉所有管子讓電流自然續(xù)流，測試恒定電流降低1A所用的時間，來計算時間常數(shù)。通過給定第二次恒定電流就可以利用兩次恒定電流的壓差求出無死區(qū)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。