闭环步进电机的优缺点(步进电机的开环控制和闭环控制)

一、步进电机的开环控制

1.步进电机开环伺服系统的一般配置

图1步进电动机开环伺服系统步进电动机的电枢上电和断电的次数以及各相的通电顺序决定了输出角位移和行进方向。该频率可以实现步进电机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。该图是开环步进电动机控制系统的框图，该系统主要由控制器，功率放大器和步进电动机组成。

2，步进电机控制器

1.步进电机的硬件控制

步进电动机在一个脉冲的作用下旋转相应的步进角，只要控制一定数量的脉冲，就可以精确地控制步进电动机的对应角。但是，步进电动机的每个绕组必须按一定顺序通电才能正常运行。在输入脉冲的控制下周期性地改变电动机绕组的通电和断电顺序的过程称为振铃脉冲。分配。

有两种实现环分配的方法。一种是计算机软件分发，计算机的三个输出引脚使用查表或计算方法顺序输出满足速度和方向要求的循环分发脉冲信号。此方法可以通过充分利用计算机软件资源来降低硬件成本。特别地，多相电动机的脉冲分布显示出其优点。但是，由于运行软件占用了计算机的运行时间，因此插补操作的总时间增加了，这影响了步进电机的运行速度。

另一个是硬件循环分配，它使用数字电路配置或特殊的循环分配设备来处理连续脉冲信号并输出循环脉冲。由数字电路构成的环分配器通常由分立组件（例如触发器，逻辑门等）组成，并且其特点是尺寸大，成本高且可靠性差。

2.步进电机的微机控制：

目前，伺服系统的大多数数字控制都采用结合了硬件和软件的控制方法，软件控制方法一般是由微型计算机来实现的。这是因为基于微计算机的数字伺服控制器比模拟伺服控制器具有以下优势。

（1）可以大大降低控制器的硬件成本。具有更高速度和更新功能的下一代微处理器将继续出现，并且硬件成本将非常便宜。体积小，重量轻和能耗低是它们的共同优势。

（2）可以大大提高控制的可靠性。集成电路和大型集成电路的平均故障间隔时间（MTBF）比单个组件电子电路的平均间隔时间长得多。

（3）数字电路的温度漂移小，不受参数的影响，稳定性好。

（4）硬件电路易于标准化。为了避免电力电子电路中过大的瞬变和电压引起的电磁干扰问题，在电路集成过程中采取了一些屏蔽措施，因此可靠性较高。

（5）使用微处理器的数字控制，极大地改善了信息的双向传输功能，可以通过上位系统计算机轻松传输，并且可以随时更改控制参数。

（6）您可以设计适用于各种电力电子系统的集成硬件电路。可以对软件进行模块化和组装，以形成适用于各种应用程序对象的控制算法。当实际系统更改时，可以轻松地添加，更改，删除或完全更新软件模块。

（7）改进信息存储，监视，诊断和分级控制功能，以使伺服系统更加智能。

（8）随着微机芯片的计算速度和存储容量的不断提高，其性能优良，但复杂算法的控制策略是其实现的基础。

3.步进电机的动力驱动电路

为了使步进电动机输出足够的转矩来驱动负载，必须向步进电动机提供足够功率的控制信号，实现该功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个电源开关电路，其功能是放大环形分配器的输出信号功率，以获得步进电机控制绕组所需的脉冲电流和脉冲波形。步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对于每个相绕组，理想的功率驱动器应通过绕组产生尽可能接近方波的电流脉冲。但是，由于步进电动机绕组的电感较大，很难实现这一点。

有两种常见的步进电机驱动电路：

图4.6步进电机驱动电路1）单电压驱动电路

这种电路使用单电源供电，结构简单，成本低廉，但电流波形不好，效率低，输出转矩小。主要用于低速要求，用于驱动小型步进电机，图6-19显示了步进电机的单相绕组驱动电路（每个相绕组的电路相同）。

当环形分配器的脉冲输入信号处于低电平（逻辑0，大约1V）时，VT1和灯管都导通，但是只要正确选择了的电阻值， 0（约1V）-1V）时，管处于截止状态，并且相绕组断电。当输入信号为高电平3.6V时（逻辑1）。 0（约0.7V），管饱和，打开，相绕组通电。

2）双电压驱动电路，也称为高压和低压驱动电路，使用两种电源：高压和低压。步进电机的绕组刚接通时，将由高压电源供电以加速电流上升，并在延迟后切换到低压电源。这种电路极大地改善了电流波形，输出转矩和工作频率。

当环形分频器的脉冲输入信号为高电平（必须给相绕组通电）时，二极管的基极具有信号电压输入，因此所有都导通。因此，在高压电源的作用下（二极管当前承受反向电压并且处于截止状态，因此低压电源不作用于绕组），绕组电流迅速上升，并且电流的前沿非常陡峭。当电流达到或略微超过额定正常电流时，通过使用计时电路或电流检测器来切断的基极处的信号电压来阻塞，但此时仍处于导通状态，因此绕组处于导通状态。由电流旋转二极管供电，由馈电设备供电。当环形分配器的输出上的电压低（必须关闭绕组电源）时，在基极的信号电压消失，因此被切断，绕组中的电流被放电到高电压供应。它流过二极管和电阻，电流急剧下降。使用这种高压和低压开关电源，在电动机绕组中不需要串联电阻或小的电阻（以平衡每个相中的电流），因此电源的功耗相对较低。这种供电方式极大地改善了电流波形，因此步进电机的转矩频率特性良好，启动和运行频率得到了极大的提高。

二，步进电机的闭环控制

与开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优势。在反馈控制系统中，无论原因如何（外部故障或内部系统更改），如果控制量偏离指定值，都会产生相应的控制效果以消除偏差。因此，可以抑制干扰，对部件特性的变化不敏感，并且可以改善系统的响应特性。然而，反馈回路的引入增加了系统的复杂性，并且由于增益选择不当而可能导致系统不稳定。当可以测量扰动变量以提高控制精度时，通常将依赖于扰动的控制（即前馈控制）用作反馈控制的补充，以形成复杂的控制系统。