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1、I 毕业论文 高精度步进电机控制系统的研究 摘摘 要要 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，步进电机的主要优 点是有较高的定位精度，无位置累积误差，并且特有的开环运行机制，与闭环控 制系统相比减少系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是， 步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时 易产生共振，输出转矩随着步进电机的转速升高而下降，这些缺点制约了步进电 机的应用范围。 步进电机的使用离不开步进电机驱动器，步进电机的运行性能与步进电机驱 动器的优劣密切相关。传统的驱动方式偏重使步进电机绕组电流以尽可能短的时 间上升到额定值，从而提高电机高
2、速运行时的转矩，造成低速运行时的振动和噪 音加大。并且为满足用户对不同步距角的要求。 本文在调研各种驱动技术的基础上，设计实现了基于电流追踪型脉宽调制 (PWM)技术的多细分两相混合式步进电机驱动器，包括硬件设计、软件实现。正弦 电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺点，减小发生 共振的几率。电流追踪型脉宽调制(PWM)技术使电机运行在较大速度范围内转矩保 持恒定。以满足不同用户和不同电机的要求,该驱动器的功率驱动部分使用 NMOS 智能功率模块，提高了驱动器可靠性。 驱动器细分运行时减弱了混合式步进电机的低速振动，电机运转平稳，大大 减轻了噪声;同时该驱动器具有较小的体积
3、、较低的成本和较高的可靠性。 关键词关键词: 混合式步进电机 细分驱动器 脉宽调制 II AbstractAbstract The stepper motor is an electromechanical device that converts electrical pulses into discrete mechanical movements. The advantages of stepper motor are precise positioning and non-cumulative movement error from one step to the next. Comp
4、ared to closed loop control, open loop operation of stepper motor is more reliable and less expensive. The disadvantages in using a step motor are vibration and noise at low speeds, resonance when the motor is operated at or around the natural resonance frequency, motor torque decreasing with speed
5、increasing. These disadvantages limit step motors application. Step motor cannot work without step motor driver. Its performance is close related to stepper motor driver. Traditionally, a motor driver is to provide the rated current to the motor windings in the shortest possible time, helping to mai
6、ntain high speed torque. As a result, motors vibration and noise is greater at low speeds. Otherwise, many types of step motor and driver have to be produced in order to satisfy customers need for different step angles After study many kinds of driver technology, a microstepping driver for two-phase
7、 hybrid stepper motor has been designed. The driver adopts sine wave current subdividing and current tracking PWM technology. Sine wave current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motors vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. Current t
8、racking PWM technology can maintain constant torque within wide speed range. Output phase current that can meet the need of III different customer and motor. The power stage of this driver uses NMOS intelligent power module that provides high reliability. This microstepping driver reduce vibration a
9、nd noise of step motor.It has small size, low cost and high reliability. KeyWordsKeyWords： Hybrid stepper motor Microstepping driver PWM IV 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论- 1 - 1.1 步进电机概述- 1 - 1.2 步进电机特怔- 2 - 1.3 步进电机国内外发展趋势- 3 - 1.3.1 国内发展趋势 .- 3 - 1.3.2 国外发展趋势 .- 5 - 1.4 主要研究内容- 5 - 第第 2 2 章章 步进电机的工作原理步进电机的
10、工作原理- 7 - 2.1 步进电机的结构- 7 - 2.2 步进电机的工作原理- 7 - 2.3 步进电机的控制方法- 9 - 2.3.1 脉宽调制技术（PWM）的基本原理 - 9 - 2.3.2 SPWM 的调制方式- 12 - 2.3.3 电流追踪型 PWM 控制 - 13 - 2.4 PID 控制算法的应用及设计 .- 14 - 2.4.1 PID 控制原理.- 14 - 2.4.2 数字 PID 的控制算法 - 16 - 2.4.3 PID 各参数对系统的影响.- 17 - 2.5 本章小结.- 18 - 第第 3 3 章章 步进电机控制系统的硬件设计步进电机控制系统的硬件设计.-
11、19 - 3.1 步进电机的控制电路.- 21 - 3.1.1 AVR 单片机的优点.- 21 - 3.1.2 AVR 单片机的特性.- 21 - V 3.1.3 AVR 的结构框图.- 23 - 3.1.4单片机电路设计 - 23 - 3.2 D/A 转换电路 .- 26 - 3.2.1 TLC7528 的特点.- 26 - 3.2.2 TLC7528 的时序图.- 27 - 3.2.3 D/A 转换的原理图.- 27 - 3.3 步进电机的驱动电路.- 28 - 3.3.1 D 触发器.- 28 - 3.3.2 D 触发器电路.- 29 - 3.3.3 驱动电路原理图 - 29 - 3.4
12、 信号的放大电路.- 30 - 3.5 步进电机的检测电路.- 30 - 3.5.1 TL082 的特点.- 30 - 3.5.2TL082 引脚功能及内部结构图.- 31 - 3.5.3 检测电路原理图 - 32 - 3.6 H 桥电路 .- 32 - 3.6.1 H 桥简介 - 32 - 3.6.2 H 桥电路原理图 - 35 - 3.7 本章小结- 35 - 第第 4 4 章章 步进电机控制系统的软件设计步进电机控制系统的软件设计.- 36 - 4.1 软件设计的基本原则.- 36 - 4.2 主程序设计.- 37 - 4.2.1 D/A 转换电路流程图 .- 38 - 4.2.2 PI
13、D 子程序流程图 - 39 - 4.2.3 中断服务程序- 40 - 4.3 本章小结.- 40 - 总总 结结.- 41 - 致致 谢谢.- 42 - 参考文献参考文献.- 43 - VI 附录附录 1 1：高精度步进电机控制系统原理图（：高精度步进电机控制系统原理图（1 1） - 45 - 高精高精度度步进电机控制系统原理图（步进电机控制系统原理图（2 2）- 46 - - 1 - 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 步进电机概述步进电机概述 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，它是一种用电脉冲信号进行控制，并将 电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。它可以看作是一种特殊运
14、 行方式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移 动一步。这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步 进式运动的，所以称步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也 称它为脉冲电动机。步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电 脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频 率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。 所以，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条 件如温度、气压、冲击和振动等影响。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的 情况下运行，其步距误差
15、不会长期积累。这些特点使它广泛使用十数字控制的开 环系统中，并使整个系统大为简化又运行可靠。 步进电机有多种不同的结构，主要类型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。近 20 多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很 大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在 同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了 该两类步进电机的特点，因此性能更好。 国外步进电机研究较早，步进电机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研 究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。我国步进电机的研究及制造 始十上世纪 50 年代后期，对步进电机
16、精确模型也做了大量研究工作，如今，各种 步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用。 - 2 - 1.21.2 步进电机特怔步进电机特怔 步进电机具有自身的特点，归纳起来有： 1.步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制 以 5 相步进电机为例，其定位基本单位(分辨率或称步距角)为 0.72 (整步) /0.36（半步)，是非常小的，停止定位精度误差皆在每步 35%以内，且无累 积误差，故可达到高精度的定位控制。 2.位置及速度控制简便 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得 到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可 在相当宽范围内
17、平滑调节。 3.可以直接进行开环控制 因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以 输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。 4.高可靠性 不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 5.具定位保持力矩 永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保 持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 6.中低速时具备高转矩 步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力 输出。同时，步进电机也有自己的一些缺点: （1）步进电机带惯性负载的能力较差。 （2）不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备步
18、进电机 驱动器。 （3）输出转矩随转速的升高而下降。 （4）从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由 于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于 驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突 - 3 - 跳频 率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转 矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的 低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即 每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰 减的振荡过程，转子是按自由振
19、荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下 来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种 能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机 会出现严重的振动，甚至失步导致无法工作，这就是步进电机的低频共振现象。 一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有 效的克服低频共振的危害。 1.31.3 步进电机国内外发展趋势步进电机国内外发展趋势 虽然步进电机是一种数控元件，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步 进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进 电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统
20、。步进电机驱动电源同步进电机 本身是一个整体，其性能好坏直接影响步进电机系统性能的优劣。多年来，步进 电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展，国内外围绕步进电机驱动电 路做了大量的研究与开发。 1.3.11.3.1 国内发展趋势国内发展趋势 现主要从以下两个方面对其发展及国内研制概况进行论述： 1.放大级使用元件情况 驱动电源性能的好坏及可靠性，在很大程度上与末级功放所用的功率元件直 接相关。最初使用的末级功放兀件是可控硅。可控硅是一种脉冲触发的开关器件， 它突出的优点是输入功率小、输出功率大、耐压高、成本较低。在七十年代由十 国内大功率高低压晶体管较少，所以用可控硅为功率器件的驱动器曾
21、一度占据主 - 4 - 流。可控硅虽然触发简单，但关断困难，容易形成误触发，可靠性差，抗干扰能 不好。近 年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。 具有控制方便、开关速度快以及元件损耗小等优点，并目_由十采用先进的设 计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进，因此近几年国内外绝 大多数的驱动电源使用晶体二极管作为末级功放元件。 进年来，V 形槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET)综合了大功率双极 晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率、耐高压、高增益的特点，因而可大 大提高驱动电源的可靠性。随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动 电源将会使用 MOSFET 作为末级
22、功放元件。 2.驱动电源电路结构的发展 不同形式的功率放大电路对电机性能的影响各不相同，这种不同形式的功率 放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。单电压的驱动电路在 二十世纪六十年代初国外就已大量使用，它的主要特点是线路结构简单和成本低， 电机的高频特性好。缺点是功耗较大，因为它一般用十小功率或启动、运行频率 要求不高的场合。 高低压驱动电路在六十年代末出现，是随着对步进电机要求大功率驱动和高 频工作出现的。它的特点是改善了电流波形，电机的转矩特性很好，启动和运行 频率得到很大的提高。但由十电机旋转反电势和互感等因素的影响，易使电流波 形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形
23、，致使电机的输出力矩有所下 降。 为了弥补高、低压驱动电路的高、低压电流波形在连接处为凹形的缺陷，提 高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由十采用斩波技术，使绕组 电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的 输出转矩增大，能基本上保持恒定;整个系统的功耗非常小，电源效率较高，因恒 流斩波电路应用相当广泛。 细分驱动电路在七十年代中期由美国学者首次提出，它通过控制电动机各相 绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分 驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近 - 5 - 几年来，由十微处理机技术的发展
24、，细分电路获得了广泛应用。 1.3.21.3.2 国外发展趋势国外发展趋势 国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的 一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提 高了整机的性能。比较典型的芯片有两类:一类芯片的核心是用硬件和微程序来保 证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计步、正反转等。对十开环使用的 步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率后仍不失步或过 冲。另一类芯片的核心是实现细分技术，内部集成 PWM 斩波控制和函数型双极驱 动电路细分控制功能。目前由十集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只能 用十小功率步进电
25、机的驱动。 近年来，国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和多种不同 功率等级的功率模块，仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功率齐全、 性能优异的步进电机驱动器。 总言之，国外所采用的集成技术到微电子技术、集成电路加工技术、电力电 子技术的前沿。 1.41.4 主要研究内容主要研究内容 目前国内的步进电机驱动器一般都采用高低压驱动方式或者调频调压驱动方 式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，可靠性不高，还存在运行速度低、 缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现 了集成化的驱动电路。我国现有应用的步进电机 IC 芯片主要依赖进口，而且，其 中许
26、多步进电机驱动芯片仅提供整步和半步控制，大大约束了步进电机性能的进 一步提高。与这类驱动方式相比，细分驱动可使步进电机获得更小的步距角、更 高的分辨率，因此，细分驱动有更佳的控制效果。本课题的研究主要针对常用的 两相混合式步进电机，皆在进行使步进电机优化运行的控制驱动芯片设计。 - 6 - 两相混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，它即具有反应式步进电机 的高分辨率，每转步数比较多的特点;又具有永磁式步进电机的高效率，绕组电感 比较小的特点，所以应用十分广泛。 本课题的主要工作是设计一款步进电机细分控制驱动芯片，芯片内部的 PWM 控制回路和 3 位非线性 DAC 可控制电机绕组电流工作在全
27、步、半步、1/4 步和 1/8 步(微步距)模式下。微步可提供更小的步距角，同时可减小在步进电机低速运转 时的扭矩变化和共振问题。 该芯片具备以下特点: 1士 1.5A 连续输出电流 236V 最大输出电压 3内部 PWM 电流控制 43 位非线性数模转换器 5快、混合和慢电流衰减模式 6内部的续流二极管 7内部过热关断和欠压保护电路 - 7 - 第第 2 章章 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 2.12.1 步进电机的结构步进电机的结构 混合式步进电机的典型结构主要由定子、转子和机壳构成。定子结构包括定 子磁极，绕组线圈和绝缘材料组成。定子上有多个磁极，每个磁极上绕有励磁线 圈，磁极末端
28、有均匀的小齿。相对两个磁极的励磁绕组串联在一起构成一相的控 制绕组，通电时，这两个磁极的极性是相同的。按相数的多少分为不同结构的混 合式步进电机，常见的是 2 相、3 相和 5 相混合式步进电机。转子由环形永磁体 及两段铁心组成，环形永磁体在转子的中部，轴向充磁，使转子一端极化为南磁 极，另一端极化为北磁极。两段铁心分别装在永磁体的两端，转子铁心上有小齿， 两段铁心上的小齿相互错开半个齿距。通常三相步进电机的转子有 50 齿，两段铁 心上的小齿相互错开半个齿距，即错开，定转子小齿的齿距通常相同。6 . 3 2.22.2 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机的工作原理就是步进转动。在一
29、般的步进电机工作中，其电源都是 采用单极性的直流电源。要是步进电机转动，就必须对步进电机定子的各绕组已 相当的是时序进行通电。步进电机的步进过程可以用图 2-1 来说明。该步进电机 是一个四相感应式步进电机，其定子的每一相都有一个电极，每个电极都只有一 个齿，即磁极本身，故四相步进电机共有四对磁极共 8 个齿；其转子有 6 个齿， 分别为称为 0、1、2、3、4、5 齿。直流电源 V 通过开关 Sa、Sb、Sc、Sd 分别对 A、B、C、D 相绕组轮流通电。 - 8 - 开始时，开关 Sb 接通电源，Sa、Sc、Sd 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对 齐，同时，转子的 1、4 号齿就和
30、C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 Sc 接通电源，Sb、Sa、Sd 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号 齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类 推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那么对 A、B、C、D 四相绕组通电需要 四拍。对 A、B、C、D 四相绕组轮流通电一次称为一个周期。从上面分析看出，该 四相步进电机转子转动一个齿距，
31、需要四拍操作。由于按 ABCDA 相轮流 通电，则磁场沿 A、B、C、D 方向转动了 360空间角，而这时沿 ABCD 方向转动 了一个齿距的位置。在图 2-1 中，转子的齿数为 6，故齿距角为 60。 对于一个步进电机，如果它的转子数为 Z，它的齿距角，如公式 2-1 所示。 = = （式 2- Z 2 Z 360 1） 而步进电机运行 N 拍可使转子转动一个齿距位置。实际上，步进电机每一拍 就执行一次步进，所以步进电机的步进角 的计算方法如式 2-2 所示。 = = （式 2- N NZ 360 2） - 9 - 图 2-1 步进电机工作原理图 2.32.3 步进电机的控制方法步进电机的控
32、制方法 2.3.12.3.1 脉宽调制技术（脉宽调制技术（PWMPWM）的基本原理）的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上，效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积，如图 2-2 所示。这里所 说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变 换分析，则其低频段的特性非常接近，仅在高频段略有差异，这是 PWM 控制的重 要理论基础。步进电机的相绕组是明显的惯性环节，因此可以用 PWM 技术来控制 电机绕组的电流大小。 - 10 - （a a） (b)(b) (c)(c) 图 2-2 形状不同而面积相同的各种脉冲 把图 2-
33、2（a）所示的正弦半波分成 N 等份，就可把正弦半波看成是由 N 个彼 此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 N，但幅值不等，且脉 冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉 冲序列用同样数量的等幅度而不等宽的矩形脉冲序列代替，使脉冲的中点和相应 正弦等分点的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就可得 到图 2-3 所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形，可以看出，各脉冲的宽度是按正弦 规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦波形是等效的。像 这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM
34、波形。在 PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波幅值时，只要按同 一比例系数改变各脉冲的宽度即可。 - 11 - u u 0 0 wt wt 图 2-3 正弦波的等效 PWM 波 按上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波 形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。按照计算结果控制电路中各开关 器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。但是这种计算是很繁琐的，正弦波 的频率、幅值等变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即 把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制 得到所期望的 PWM 波形。通常采
35、用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽 度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时， 如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号幅值的脉 冲，这正好符合 PWM 控制的要求。当调制信号为正弦波时，所得到的就是 SPWM 波 如图 2-4 所示 。 脉宽调制技术己经在变频器、整流器和电气传动中得到了广泛的应用。该技 术是利用 PWM 波控制功率半导体器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序 列，实现弱电对强电的控制，并通过控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到 变压变频的目的。 - 12 - 0 0 调制波载波 等效正弦波 图 2-4 SPW
36、M 波的实现 2.3.22.3.2 SPWMSPWM 的调制方式的调制方式 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM 调制方式分为异步调 制、同步调制和分段同步调制。 (1) 同步调制 在改变调制信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波频率与信号频率 的比值(载波比)保持不变。这种调制优点是，在开关频率较低时可以保证输出波 形的对称性。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流的 波形脉动较大，谐波分量剧增，电机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。另外， 这种调制由于载波周期随信号周期连续变化而变化，在利用微计算机进行数字化 - 13 - 控制技术时，带来极大不便，难以实
37、现。 (2) 异步调制 在调制信号周期变化的同时，载波周期仍保持不变，因此，载波比随之变化。 这种调制的缺点恰是同步调制的优点。但是，在 IGBT 等高速功率开关器件的情况 下，由于载波频率可以做得很高，上述的缺点己小到完全可以忽略的程度。反之， 正由于是异步，在低频输出时，一个信号周期内，载波个数成数量级的增多，这 对抑制谐波电流、减轻电机的谐波损耗及转矩脉动大有好处。另外，由于载波频 率是固定的，也便于数字化控制。目前应用最广泛的是这种调制方式。 (3) 分段同步调制 对于门极可关断晶闸管(GTO)之类开关频率不很高的功率器件，单使用同步 调制和异步调制都有失偏颇，此时采用分段同步调制。即
38、在恒转矩区的低速段采 用异步调制，在恒功率区的高速段采用同步调制。但是，在调制比切换时可能出 现电压突变甚至振荡。 2.3.32.3.3 电流追踪型电流追踪型 PWMPWM 控制控制 电流追踪型 PWM 控制基本思路是:将一个正弦波电流给定信号与电机电流实测 信号相比较，若实际电流值大于给定电流值，则通过逆变器开关器件的动作使之 减小，反之，则使之增加。使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变 化，并将偏差限制在一定范围内;与此同时，逆变器输出的电压波成为 PWM 波。这 样，如果逆变器的开关器件具有足够高的开关频率，则电机电流就能很快地调节 其幅值和相位，使电机电流得到高品质的动态控制
39、。 电流追踪型 PWM 控制主要有两种，电流滞环控制型和固定开关频率型。闭环 控制，是各种电流追踪型 PWM 电路的共同特点。电流滞环控制型和固定开关频率 型各有各自的优缺点。电流滞环型由于不需要三角载波环节，控制系统实现起来 比较简单。而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。在实际 的步进电机驱动电路中可根据需要选择合适的电流跟踪型 PWM 控制方式。 - 14 - 2.42.4 PIDPID 控制算法的应用及设计控制算法的应用及设计 2.4.12.4.1 PIDPID 控制原理控制原理 为了进一步改进控制器的方法是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误 差的变化做出响应，于是
40、在 PI 调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积 分、 微分（PID）调节器，其控制规律为： （式 2- kp tu)( dt tde dttete T T d i )( )( 1 )( 3） 式中为微分常数，越大微分作用越强。 d T 常规的 PID 控制原理框图如 2-5 所示。该系统有模拟 PID 控制器和被控对象 组成。图中，是给定值，是系统的实际输出值，给定值和实际值输出值构)(tr)(ty 成控制偏差，其中作为 PID 控制器的输入，作为 PID 控制)()()(tytrte)(te)(tU 器的输出和被控对象的输入。 + PID 控制器 D(S) 被控对象 G(S) 图 2
41、-5 PID 控制原理图 下面分别讨论比例调节器 P，积分调节器 I，微分调节器 D 的作用： 1.比例调节器（P） 式中，KP为比例系数，U0为偏差 e =r-y=0 时的控制作用（如原始阀门开度， - 15 - 基准电压等） 。 比例调节器与偏差成正比例调节，调节及时，误差一旦产生，调节器立即产 生控制作用，使被控量 y 向减小偏差的方向变化，但这种调节使被控量 y 存在静 差， 即有残留误差，因为调节作用是以偏差的存在为前提条件的。只有在控制作用为 u0 时才会出现零静差（此时偏差 e=0） 。提高放大系数 KP 虽然可以减小静差，但 永远不会使之减小到零，而且无止境地放大系数 KP 最
42、终将导致系统不稳定。 2.比例积分调节器 采用比例调节的系统存在静差，为了消除静差，在比例调节器的基础上加入 积分调节器，组成比例积分调节器，其控制规律为： u(t)= （式 2-4） dttete T K i p )( 1 )( 式中 Ti 为积分常数，Ti 越大积分作用越小。积分调节器的突出优点是：只要被 调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量 的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的围子而不回复原位，因 此就能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改变静 态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过度过程时间加长。因此在实际生
43、产中往往在积分调节的基础上加入比例调节，把比例作用的及时性与积分作用的 消除静差的优点结合起来构成比例积分调节器。 3.比例积分微分调节器（PID） 比例积分调节消除系统误差需要经过较长的时间，为进一步改进控制器，可 以通过检测误差的变化率来预报误差，根据误差变化趋势，产生强烈的调节作用， 使偏差尽快的消除在萌芽状态，数学上描述这个概念用微分，因此在 PI 调节器的 基础上加入微分调节，就构成了比例积分微分调节器，其控制规律为： kp tu)( dt tde dttete T T d i )( )( 1 )( （式 2-5） 式中 Td 为微分常数，Td 越大微分作用越强。 - 16 - 在
44、PID 的调节器中，微分调节主要是用来加快系统的响应速度，减小超调， 克服振荡。将 P、I、D 三种调节规律结合在一起，既快速敏捷，又平滑准确，只 要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。 PID 调节的传递函数为： （式 2-6） S S SESUSD KK T K KDP i P P 1 )()()( 在工业过程控制中，模拟 PID 调节器的执行机构有电动，气动，液动等类型 PID 调节规律用硬件实现。而在微机控制系统中采用了数字控制器，即用软件来 实现 PID 控制，因此要将模拟 PID 调节器离散化为数字 PID 控制算法。数字 PID 控制算法，是立足于连续系统 PID 控制器的
45、设计，然后用微机进行数字模拟，这 种方法称为模拟化设计方法。由于它要求较小的采样周期，只能实现较简单的控 制算法。选择较大的采样周期后对控制质量有较高的要求时，就不能采用数字控 制器的模拟化的设计方法，而应该选择数字控制器的直接设计方法。 数字控制器的直接设计方法也称为离散化的设计方法，在 Z 平面上的设计方 法，它根据系统的性能要求，运用离散控制理论，直接设计控制系统的数字控制 器。与模拟化设计方法相比更具有一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进 行分析与综合，并导出相应的控制规律的。利用微机软件的灵活性，就可以实现 从简单到复杂的各种控制规律。 2.4.22.4.2 数字数字 PIDPI
46、D 的控制算法的控制算法 为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟的 PID 算式进行离散化，变为 数字 PID 算式，为此，在采样周期 T 远小于信号变化周期时，作如下近似（T 是 足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近）： u(t)u(k) （式 2-7） e(t)e(k) （式 2-8） = Te(j) （式 2- dtte )( tje)( 9） - 17 - de/dte(k)-e(k-1)/t=e(k)-e(k-1)/T （式 2- 10） 式中 T 为采用周期，k 为采样序号，k=0，1，2，j，k。 将上式带入得出： + （式 2- ) 1()( )( )()(
47、 kekeT je T keku T T K D i pu0 11） 其中，u（k）为调节器第 k 次输出值；e（k） ，e（k-1）分别为第 k 次和第 k-1 次采样时刻的偏差值。从上式可以看出，u（k）是全量值输出，每次输出值 都与执行机构的位置（如控制阀门的开度）一一对应，所以称之为位置型 PID 算 法。 在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量 u（k）不仅与本次偏差有关，还与过去历史采样偏差有关，使得 u（k）产生大幅 度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的 不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型 PID 算法，县推
48、导如下： （式 2-)2()(2)()()()()(TkTeTkTekTekTeTkTekTekTu kkk dip 12） 当控制系统中的执行期为步进电机，电动调节阀，多圈电位器等具有保持历 史为之的功能的这类装置时，一般均采用增量 PID 的控制算法。 2.4.32.4.3 PIDPID 各参数对系统的影响各参数对系统的影响 1.增益 KP与系统快速性成正比，与系统的静差成反比。但 KP 过大将使系统超 调过大，振荡加剧，稳定性变坏。 2.增大积分时间 TI有利于减小超调和振荡，有利于系统稳定，但消除静差的 过程将加大。 3.微分时间 TD与系统快速性成正比，并能使超调减小，稳定性增加，但抗扰 性将变差。 - 18 - 根据上述结论，可按如下步骤对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步 骤。 采用比例控制，KP由小变大。如果相应时间，超调，静差已达到要求，则只需要 用比例控制即可，并由此确定比例增益 KP。如果静差达不到要求，则加入积分控 制，将 KP减小，例如每次减小到原来的 90%，积分时间 Ti 由大到小。反复试凑多 组 KP， KI值，从中确定合适的参数。 2.52.5 本章小结本章小结 在阐述了步进电机的分类及其各自主要特点的基础上，本章主要详细介绍了 混合式步进电机的内部结构和工作原理。同时，本章也归纳了步进电机的基本参 数，最后详细的