步进电机精确控制系统设计

桑占良

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

步进电机是一种依据电脉冲信号进行运转的高精度控制元件，被人们广泛应用，特别适合要求响应速度快、控制精度高、运行稳定、输出扭矩高的应用场景，其广泛应用于各个不同领域，如计算机外围设备、存储设备、ATM 机、喷绘机、医疗设备、精密仪器、工业自动化控制系统、办公自动化设备、机器人等领域，并且它的应用领域还在不断扩大。在一些要求精度很高的场合，为了实现其控制优势，需对步进电机进行精确控制，因此步进电机精确控制系统的设计研究显得尤为重要。

1 步进电机的结构及工作原理

步进电机根据结构形式不同可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机等。

步进电机是通过不断改变定子绕组的通电状态来运转的，步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子移动一个步距角。转子步距角为式中m为定子相数，Z为转子齿数，C为通电方式。通过控制输入步进电机的脉冲数可以控制步进电机的角位移Φ=Nθ，控制输入步进电机的脉冲频率可以控制步进电机的转速通过调整电机绕组通电顺序可以控制电机的转向。步进电机转矩为其中T为转矩，F为扭力，R为作用半径，V为转速，P为功率。

以四相反应式步进电机为例说明步进电机的结构和基本工作原理。四相步进电机采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序供电，步进电机就能按照供电时序步进转动。四相反应式步进电机工作原理如图1所示。

最初，开关SB闭合时，接通直流电源，断开SA、SC和SD开关，此时B 相磁极与转子0、3 号齿对正，同时，C、D 相绕组磁极和转子的1、4 号齿产生错齿，A、D 相绕组磁极就和转子的2、5 号齿产生错齿。当开关SC接通直流电源，而SA、SB和SD开关断开时，由于C 相绕组和1、4 号齿之间磁力线的相互作用，使转子转动一定角度，C 相绕组的磁极与1、4 号齿对齐。而A、B 相绕组与转子的0、3 号齿产生错齿，A、D 相绕组磁极就与2、5 号齿产生错齿。依次类推，给A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会以步进方式进行转动。

图1 四相反应式步进电机工作原理示意图

四相步进电机按照通电时序的不同，可分为单四拍、双四拍和八拍三种类型工作方式。双四拍与单四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是双四拍与单四拍的一半，因此步进电机八拍工作方式不仅可以保持较高的转动力矩，而且可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍三种工作方式的供电时序与波形分别如图2 中（a）（b）（c）所示。

图2 步进电机工作时序波形图

2 步进电机的控制

一般采用开环控制和闭环控制两种控制方式控制步进电动机。其中开环控制是最简单的控制方式，步进电机控制脉冲的输入并不依赖于转子的位移状态，而是按照某一固定的规律发出控制脉冲，步进电机仅依靠这一系列既定的脉冲而工作。

开环控制原理如图3 所示。

图3 步进电机开环控制原理图

步进电机开环控制具有控制精度不高，有时还会发生失步和震荡现象等缺点，因此要想精确控制步进电机，可采用闭环控制方式。闭环控制指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的供电时序，可显著改进步进电动机的性能。

步进电机闭环控制原理如图4 所示。

图4 步进电机闭环控制原理图

闭环控制是直接或间接地检测转子的位置或速度，然后将检测到的信号反馈到输入端并配以适当的算法处理，自动地给出步进电机的驱动脉冲序列，这个驱动脉冲序列是根据转子的位置而随时变化的，结合微型计算机控制技术及驱动技术，再配以合适的软件算法，即可以实现很高的控制精度要求。

3 步进电机控制系统设计

3.1 硬件设计

典型的步进电机控制系统一般采用模块化设计，可分为步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机、外围电路以及人机接口五部分，如图5 所示。微处理器通过PWM 输出控制脉冲，经过驱动器给步进电机驱动信号，步进电机的转子的位置通过传感器反馈到微处理器的输入口，控制处理器实时采集步进电机的实际工作状态，通过闭环控制算法对步进电机进行精确控制。

3.2 软件设计

主程序流程如图6 所示。

步进电机控制程序流程如图7 所示。

部分电机驱动程序如下：

图5 控制系统硬件设计

图6 主程序框架流程图

图7 电机控制框架流程图

在步进电机闭环控制过程中，处理器读取电机的控制命令参数，可以是本地存储的参数，也可以是上位机发送的参数，然后读取传感器反馈的实际状态参数，得出当前实际状态参数与目标状态参数的偏差，如偏差为零，则锁定目前电机的状态，如偏差不为零，通过PID 运算控制PWM 的输出，精确控制步进电机的运转。有时为了提高响应速度也可采用PID 控制算法。

4 结束语

本文介绍了步进电机精确控制工作原理以及应用，给出了步进电机精确控制的硬件原理框图和程序流程图。基于PID 算法的闭环控制方法解决了步进电机开环控制过程中失步和过冲现象。PID 控制方法简单，控制效果良好。闭环PID 控制方法能够实现对步进电机的精确控制。