步进电机“乾坤大挪移”之外功招式——有感控制

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本期内容

上回说到，初出茅庐的步进电机通过磨练习得了细分控制，并且获得了武林同僚们的认可，它被广泛应用在各个领域当中。

但是，如果步进电机转子遇到失步，甚至更加恶劣的堵转时，又没有后续的诊断和解决策略，那么终端产品将无法发挥出所需的实力。

例如，在安防行业的球机应用中，如果球机摄像头在旋转过程中遇到失步和堵转的问题，就无法准确捕获到所需位置的图像。

在打印机的应用中，如果打印的转轴遇到了旋转失步或者堵转的问题，打印出来的纸张文字间距就会不均匀。

所以步进电机想要在电机领域内更进一步，堵转和失步的问题是需要突破的一大难关，这次它又是何应对的呢？在说明这个问题之前，我们还是需要进一步认识步进电机的控制系统和特性。

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步进电机开环位置控制系统

步进电机开环位置控制系统主要由三部分构成: MCU(进行步进脉冲和方向指令发送)、双全桥驱动以及步进电机(见图1)。

图1 步进电机开环位置控制系统框图

MCU发送步进脉冲和方向指令，双全桥驱动根据控制指令输出功率，驱动步进电机旋转。MCU每发送一个脉冲，步进电机就按照步进模式旋转一个电气角度，所发送的脉冲频率越高，相应的步进频率也就越高，步进电机就旋转得越快。每秒的脉冲数量称之为PPS(脉冲频率)，代表了步进电机的旋转速度。

步进电机能够输出的负载转矩，由两个参数来表示：牵入转矩和牵出转矩。这两个参数可以在坐标轴上清晰地表现出来，以PPS为横坐标，动态转矩为纵坐标，步进电机会获得牵入转矩和牵出转矩曲线(图2)。

图2 步进电机牵入/牵出转矩曲线

牵入转矩

指步进电机在不失步的情况下能够按照给定的步进频率，克服转子惯量，负载和摩擦力的情况下，确保启动的加速转矩。只要负载大小在牵入转矩的曲线区域内，也就是启动区域内，就能够进行正常的起步。

牵出转矩

指步进电机在不失步的前提下，能够连续恒速运转时，转轴端可以提供的最大转矩。

在牵入和牵出转矩曲线之间是步进电机的带载连续运行区域。如果负载或者步进频率进一步增加，步进电机就会无法提供相应的转矩，就会处于失步区域。这是因为在更高的步进频率或者更重的负载情况下，步进电机转子实际的转动频率无法跟上定子磁场变换的频率。如果负载在此时更进一步的加重，严重情况下，将会导致转子直接堵转。

那么在实际的应用中，将如何应对步进电机的失步和堵转呢？

“乾坤大挪移”

为了应对失步和堵转，步进电机需要更进一步地练习新的功法---“乾坤大挪移”。

该功法主要分为外功招式和内功心法。外功招式就是有感控制，内功心法则是无感的诊断方法。本篇内容主要是对有感控制进行详细地介绍，无感的诊断方法将会出现在下篇内容中。

有感控制

指步进电机在不失步的情况下能够按照给定的步进频率，克服转子惯量，负载和摩擦力的情况下，确保启动的加速转矩。只要负载大小在牵入转矩的曲线区域内，也就是启动区域内，就能够进行正常的起步。

图3 磁编码器安装结构

图4 步进电机磁编码器底装示意图

磁编码器能够输出多种角度信号形式，来满足不同要求下的应用。

[A/B/Z 信号]

A/B/Z信号是一种增量型的脉冲输出信号。(图5)

A相和B相信号会在旋转的每圈 (360°)输出固定数量的脉冲方波。磁编码器的分辨率越高，脉冲数目就越多。MCU通过对脉冲数目的捕获就能计算出步进电机转子旋转的角度大小，见公式(1)。

图5 A/B/Z 角度信号

公式（1）

其中，Angle为转子转过的角度，count为A相合B相的脉冲数目以及上升和下降沿总和， bit为磁编码器的分辨率。A相和B相信号在相位上会相差90度，通过对A相和B相信号之间相位角的超前或者滞后的检测，来判断转子是进行了顺时针还是逆时针的旋转。Z相信号在每圈只会输出一个脉冲，主要是用来做圈数角度的校准使用。

[寄存器数值]

角度信号也可以通过读取磁编码器寄存器获得(图6)，这是一种绝对式的位置角度信号。无论转子停在哪一个位置，都能有唯一对应的磁场位置和角度信号。通过对读取到的值进行角度计算，就可以获得转子的旋转角度，见公式(2)。

公式（2）

其中，Register为读取的寄存器值大小，bit为磁编码器的分辨率。

图6 角度寄存器

[ 角度补偿]

有了角度信息的输入，步进电机就仿佛知道了破绽所在。通过对比MCU输出的角度指令PPS和角度传感器反馈的角度信号，就能知道步进电机目前是否处于失步和堵转状态。通过发送补偿指令，控制步进电机转动，进行角度补偿。

控制的方式可以是半闭环的位置控制，MCU输出补偿脉冲进行角度补偿。（图7）

图7 步进电机的位置半闭环控制

角度补偿也可以是更为复杂和难度较高的位置闭环控制。用获得的转子角度信息，对步进电机的A相和B相电流进行空间坐标变换，形成转子位置和dq坐标电流的双闭环控制，就能获得更好的性能。（图8）

图8 步进电机的位置闭环控制

这里涉及的一些更深入的技术知识大家可以通过文献资料进行学习，本篇文章也只是做一个抛砖引玉。那么除了外功招式，内功心法无感的诊断究竟是什么样子的呢？让我们下一期再见~

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