步进电机的控制系统设计，步进电机的开环控制解析

　　步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

　　步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。

　　我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步，七十年代中期至八十年代中期为成品发展阶段，新品种和高性能电机不断开发，目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展，使步进电机在众多领域得到了广泛应用。

　　步进电机控制技术及发展概况

　　作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术，特别计算机技术发展以前，控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现，控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器，开发难度和开发成本都很高，控制难度较大，限制了步进电机的推广。

　　由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，计算机成为步进电机的理想驱动源，随着微电子和计算机技术的发展，软硬件结合的控制方式成为了主流，即通过程序产生控制脉冲，驱动硬件电路。单片机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出了电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋。

　　步进电机控制系统的设计

　　传统的电流式控制方法是检测流经绕组的电流，并将反馈信号送到控制芯片，然后由控制芯片决定是增加还是降低绕组电流，以取得所需的电流强度。这种控制方法使电机在宽转速和宽电源电压范围内保持理想的转矩，非常适用于全步进和半步进电机驱动，而且实现起来非常容易。

　　闭环控制电路将电流施加到绕组。反电动势（BEMF）会降低绕组电压，延长电流达到理想值的时间，因此，反电动势限制电机转速。虽然系统无需知道反电动势值，但是，不重视且不修正这个数值将会导致系统性能降低。

　　因为电源电压变化导致峰值电流有时波动幅度很大，所以，直到现在，工程师还是尽量避免使用电压式控制方法。工程师们还想避免反电动势随着电机转速增加而升高的问题。

　　在这种情况下，业内出现了能够补偿反电动势的智能电压式控制系统。这种驱动方法使电机运转更顺畅，微步分辨率更高，是对高精度定位和低机械噪声要求严格的应用的理想选择。电压式控制是一种开环控制：当正弦电压施加到电机相位时，机电系统将回馈正弦电流。

　　我们可以用数字方法补偿反电动势和峰流变化。在记住电机的准确特性（电机电感-转速曲线、反电动势-转速曲线、电机电阻）后，计算并施加电压，以取得理想的电流值。

　　电压式控制方法是向电机施加电压，而不是恒流。施加的电压值能够补偿并完全消除反电动势效应，施加电压的上升速率与因电机转速增加而导致反电动势上升的速率相同，保证电流幅度对转速曲线平坦。在已知所需电流后，就可以确定取得该电流需要施加的准确电压值。因此，电流是由电压间接控制，如图1所示。

　　电压式控制还节省了分流电阻，可取得高微步分辨率和极低的转矩脉动。事实上，意法半导体的L6470取得了多达128步的微步控制。

　　这款数字电机控制驱动器的核心是一个能够降低微控制器资源占用率的数字运动引擎（DME）。

数字运动控制引擎是