步进电机闭环伺服系统的高精度控制

翁孚达， 周起华

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电执行元件［1］，具有动态力矩大、抗干扰能力强和定位精度高等优点，被广泛应用于数控装置、自动化仪器等机电一体化设备中。步进电机的位移与输入的数字脉冲有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，故又称为脉冲电机。要想控制步进电机良好的工作，必须有合适可靠的驱动装置。

步进电机易于开环控制，但是开环控制具有控制精度差，而且步进电机的系统误差无法克服，必须通过闭环来解决。为了完成步进电机闭环控制，本文提出一种新型的步进电机伺服系统闭环控制方法：基于FPGA 控制芯片和LMD18 200驱动芯片，采用RS422通讯串口完成步进电机闭环伺服系统的搜索控制，具有控制灵活、操作简单、控制精度高和扩展性极强的特点。

1 细分驱动原理

步进电机发展至今，一般分为磁阻式步进电机、永磁式和永磁感应式步进电机等几种，其中永磁感应式步进电机应用最广。本文研究的步进电机属于永磁感应式步进电机，它只有AB 两相绕组，只需按照顺序加电就能使电机运转。其驱动电路主要有：单一电压型功放电路、高低压切换型功放、斩波恒流型功放电路、升频升压功放电路、细分功放电路和H 桥功放等。本文综合细分功放电路、斩波恒流型和H 桥功放电路的优点，采用恒转矩的正余弦斩波恒流细分H 桥功放电路，具有发热小、运行平稳、换向灵活等特点。

对于两相永磁感应式步进电机，其静转矩为［2］

式中：Wf12为定子回路中定子电流和转子磁钢产生的互磁共能分量；Wf21为转子回路中定子电流在转子上产生的互磁共能分量；Wms为定、转子电流回路自身产生的磁场分量之和。

根据电磁场和电机原理可以推出

式中：p 为电机的极对数。

由于A、B两相相差90°，根据叠加原理，A、B两相同时通电时的静转矩为

为了使静转矩保持相等，需给A、B两相通以下列的电流

这就是步进电机的正余弦细分原理。因此，只需在电机A、B 绕组上分别加一余弦和正弦的电流值，就完成了步距角的正余弦细分。电流的采集要通过电流采集电路来完成。本文采用的LMD18 200步进电机功放元件具有电流采样输出端［3］，可以采集流经功放管桥臂中的电流，为准确地进行电流的细分提供了可能。为了完成均匀准确地细分，还要通过D／A 转换器来完成［4］。

2 闭环控制系统设计

步进电机的闭环控制方法一般分为步效验、无传感器的反电动势检测和有传感器反馈的全伺服控制等。本文采用的方法就是使用RS422通讯、FPGA、位置反馈元件的全伺服控制。位置反馈元件将检测到的实际位置反馈给控制器，控制器根据检测到的数据实时调整输入的脉冲数、频率，使步进电机实际位置和指令位置一致，从而达到步进电机高精度控制的目的。

步进电机RS422闭环控制原理如图1所示。

上位机发送RS422命令字，经过422配置芯片与FPGA 进行数据通讯，产生需要的驱动命令驱动功率元件LMD18 200，产生电机的两相绕组电流。LMD18 200的电流输出端经过电流检测电路形成一个模拟电压信号，同时FPGA 送出的相应细分数数字量，经过高精度D／A 转换器变成一个细分电流模拟电压信号，两者经过比较器产生调制好的PWM 信号经过功率放大送给LMD18 200［5］，驱 使 电 机 按 照 相 应 的 命 令 运 转。电机运转的同时，位置反馈元件实时把当前的位置信息送给FPGA，与RS422发送过来的角度信息相比较，形成闭环伺服控制系统。

由图1可知，FPGA 是整个控制系统的核心，它不但产生电流细分的正余弦数据，保证了电机绕组的电流按照D／A 给定的电流运行，还要实时处理RS422和位置检测元件的数据，并进行电压频率转换，完成系统的闭环。

由于驱动元件LMD18 200无法输入负信号，故D／A 输出的正余弦波形要进行处理，取其绝对值，变成恒正信号，至于换向则通过功率元件的方向信号端口来控制。理论上，D／A 输出的波形与绕组电流反馈的波形，如图2所示。

图2可以知道，绕组反馈的电流是台阶状上升的，细分数越大，台阶越密，越接近正余弦曲线。

3 程序设计与实验结果

RS422控制方法遵循串口通讯协议，本文讨论的协议：波特率115.2kB，字节8 位，偶校验，停止1位，数据格式如表1所示。

图1 闭环控制原理图

图2 绕组细分电流波形

通过表1可以知道，RS422发送一帧包含22的字节，其中帧头4位、帧尾1位。控制字包含启动、停止、搜索跟踪切换等命令，数据包1～数据包4包含了各种处理数据和位置反馈数据，可以任意设置，具有极强的扩展性和可编程性。

表1 RS422串口通讯协议

RS422闭环控制程序流程图，如图3所示。

按照图3的流程图编写搜索程序，用串口调试助手设定好通讯协议，发送命令字：7E7EEB 90 11 05 1d00 00FF DE 00 00 00 00 00 00 00 00 000000，可以驱使电机进行指定的预定命令操作。如若改变预定参数只需改变发送的数据即可，操作简单，控制灵活。实验测出RS422发、收数据包分别如图4、图5所示。

图3 RS422闭环控制程序流程图

D／A 输出曲线与电机绕组的电流波形分别如图6、图7所示，比较器输出的PWM 脉宽调制波形如图8、图9所示。

闭环控制系统实验测试数据，如表2所示。

图5 RS422接收数据包

图6 两相绕组DA 的输出波形

图7 两相绕组电流波形

图8 比较器输出的两相PWM 脉宽调制波形

图9 PWM 脉宽波形局部放大图

表2 实验测试数据

通过实验结果可知，在RS422闭环控制下，控制电机的输出曲线光滑，电机运行平稳，与理论分析曲线非常接近；伺服系统实际机械角度和预装角度的误差很小，控制精度高，性能稳定。

4 结论

本文分别通过理论和实验论述了RS422 串口通讯控制步进电机闭环伺服系统方法，实验结果表明，该控制方法灵活，操作简单、具有很强的扩展性，闭环控制系统性能稳定，控制精度高，系统运行平稳。

［1］ 梅晓榕，等.自动控制元件及线路［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.

［2］ 哈尔滨工业大学，成都电机厂.步进电动机［M］.北京：科学出版社，1979.

［3］ 林建委.电机驱动用H 桥组件LMD18 200的应用［J］.国外电子元器件，1998，（9）.

［4］ 董亮辉，等.步进电机宽调速多细分控制系统研究［J］.测控技术，2012，31（1）.

［5］ 王志超，等.两相混合式步进电机细分驱动［J］.信息与电子工程，2008，（12）.