步进电机开环控制的原理

　　步进电机开环控制的原理

　　当步进电机的定子一相绕组流过直流电流时，最接近该相的转子齿被定子相吸引，因产生的电磁转矩大于负载转矩，从而使转子运动。当转子转动到电磁转矩与负载转矩平衡位置时，转子就静止不动了，此电磁转矩也就把负载转至需要定位的位置。然后再对下一相施加激磁电流，另外一个最接近该相的转子齿被吸引，负载被该相电磁转矩驱动，移动1个步距角，到达下一个静止位置。激磁相切换的次数与频率决定了转子旋转的最终角度与速度。切换相的次数与步距角的乘积为步进（专有名词为步动作增加的角度）角度，此值决定最终静止位置。相对负载转矩来说，如步进电机产生的转矩足够大，则切换指令就能驱动负载，作位置控制。此时的位置平衡力是由步进电机静态转矩产生的。

　　如下图表示两相PM型步进电机的各相矩角特性曲线的情况。当“杠A”相绕组激磁时，要使带负载的转子产生位移，负载应在转子与A相的作用力范围内。“杠A”相激磁绕组通电时的定子与转子的位置关系如图上部所示。激磁相“杠A”的矩角特性用实曲线表示；其他相绕组激磁时，产生的矩角特性曲线用虚线表示。

　　在轻载或空载时，静态转矩由所在位置决定，故“杠A”相转矩沿曲线箭头方向移动到其与横轴的交点C1点；实际上，转子停在转矩曲线上负载平衡点。

　　依次，B相如果激磁，则转子停在点b1点，b1-C1的角度差为步距角。

　　变速控制可使用开环控制（OPENLOOP）方式，改变速度只需要改变切换频率的指令，相当于变频同步电机的功能。

　　

　　步进电机开环控制的要点

　　1、电流环

　　目前市场上的电机一般电感和电阻较小，很少像老式步进通过电压驱动，主要是通过控制AB相电流进行电流控制。电流为相差为90度的正弦波。驱动多采用H桥的控制方式，两个H桥控制两相电流。电流控制的方式有两种，一种是交流控制，AB相电流独立控制，一种给正弦参考信号，一相给余弦参考信号。另一种是直流控制，类似矢量控制，将AB两相进行坐标变换，控制DQ的电流。据我所知，目前市场上的驱动多以交流控制为主。

　　2、速度辨识

　　步进电机的中速容易震荡，多通过速度或加速度辨识进行阻尼补偿，提高中速和高速的稳定性。速度辨识个人测试过的有三种分别是滑膜控制，PI锁相环，无PI锁相环。其中后面两种效果最好。速度差可以通过补偿q轴电流或超前角度抑制震荡，理论上效果是一样的。速度辨识的方法可以参照pmsm的无感控制，TI，ST，microchip都有类似的方案。

　　3、反电势补偿

　　步进电机极对数通常为50，所以反电势系数较大，通常500rpm以上，电机已工作于弱磁升速的阶段，所以适当的反电势补偿会有利于提高电机的响应速度，在速度辨识中，通常需要反电势数据进行速度和位置辨识，反电势补偿可以采用速度辨识的结论和中间量。

　　4、参数辨识

　　市面上的步进电机巨多，不同厂商，参数不一，驱动器的通用性就要求驱动器可以驱动不同的电机。速度辨识以及电流环的PI参数的整定阶段一般需用到电阻和电感数据。个人采用的方法是上电时给定一个恒定电流，关闭所有管子让电流自然续流，测试恒定电流降低1A所用的时间，来计算时间常数。通过给定第二次恒定电流就可以利用两次恒定电流的压差求出无死区影响的电阻，进而计算出电感值。

　　5、mcu选择

　　mcu的选择主要关注计算量，个人测试过在TMS320F28027，034，STM32F103，xmc1302平台。