【正文】 為u0 時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差 e=0）。 圖 25 PID控制原理圖 下面分別討論比例調節(jié)器 P，積分調節(jié)器 I，微分調節(jié)器 D 的作用： 例調節(jié)器（ P） 式中， KP為比例系數， U0為偏差 e =ry=0 時的控制作用（如原始閥門開度，基準電壓等）。該系統(tǒng)有模擬 PID 控制器和被控對象組成。 14 PID 控制算法的應用及設計 PID 控制原理 為了進一步改進控制器的方法是通過檢測誤差的變化率來預報誤差，并對誤差的變化 做 出響應，于是在 PI調節(jié)器的基礎上再加上微分調節(jié)器，組成比例、積分、 微分（ PID）調節(jié)器，其控制規(guī)律為： kptu ?)( ? ?dt tdedttete TT di)()(1)( ?? ? （式 23） 式中 dT 為微分常數，越大微分作用越強。而固定開關頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。 電流滯環(huán)控制型和固定開關頻率型各有各自的優(yōu)缺點。 電流追蹤 型 PWM 控制主要有兩種，電流滯環(huán)控制型和固定開關頻率型。與此同時，逆變器輸出的電壓波成為 PWM 波。 電流追蹤型 PWM 控制 電流追蹤型 PWM 控制基本思路是 :將一個正弦波電流給定信號與電機電流實測信號相比較，若實際電流值大于給定 電流 值，則通過逆變器開關器件的動作使之減小 ， 反之 ，則使之增加。即在恒轉矩區(qū)的低速段采用異步調制，在恒功率區(qū)的高速段 采用同步調制。目前應用最廣泛的是這種調制方式。反之，正由于是異步，在低頻輸出時，一個信號周期內，載波個數成數量級的增多，這對抑制諧波電流、減輕電機的諧波損耗及轉矩脈動大有好處。這種調制的缺點恰是同步調制的優(yōu) 點。另外，這種調制由于載波周期隨信號周期連續(xù)變化而變化，在利用微計算機進行數字化控制技術時，帶來極大不便，難以實現(xiàn)。這種調制優(yōu)點是，在開關頻率較低時可以保證輸出波形的對稱性。 12 00調 制 波 載 波等 效 正 弦 波 圖 24 SPWM波的實現(xiàn) SPWM的調制方式 根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況， PWM調制方式分為異步調制、同步調制和分段同步調制。 脈寬調制技術己經在變頻器、整流器和電氣傳動中得到了廣泛的應用。通常采用等腰三角形作為載波，因為等腰三角形上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號幅值的脈沖，這正好符合PWM 控制的要求。但是這種計算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值等變化時，結果都要變化。 11 uu00w tw t 圖 23 正弦波的等效 PWM波 按上述原理，在給出了正弦波頻率、 幅值 和半個周期內的脈沖數后， PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確地計算出來。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱為 SPWM 波形。這就是 PWM 波形，可以看出，各 脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。這些脈沖寬度相等，都等于 N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。步進電機的相繞組是明顯的慣性環(huán)節(jié)，因此可以用 PWM 技術來控制電機繞組的電流大小。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。 ? = N? = NZ?360 （式 22） 9 圖 21 步進電機工作原理圖 步進電機的控制 方法 脈寬調制技術（ PWM）的基本原理 在采樣控制理論中有一個重要的結論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，效果基本相同。 ? = Z?2 = Z?360 （式 21） 而步進電機運行 N 拍可使轉子轉動一個齒距位置。在圖 21 中，轉子的齒數為 6，故齒距角為 60176。由于按 A→ B→ C→ D→ A相輪流通電，則磁場沿 A、 B、 C、 D 方向轉動了 360176。對 A、 B、 C、 D 四相繞組輪流通電一次稱為一個周期。依次類推，A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉動。 8 當開關 Sc 接通電源， Sb、 Sa、 Sd 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動， 4 號齒和 C相繞組的磁極對齊。直流電源 V 通過 開關 Sa、 Sb、 Sc、 Sd 分別對 A、 B、 C、 D相繞組輪流通電。 步進電機的步進過程可以用圖 21 來說明。在一般的步進電機工作中， 其電源都是采用單極性的直流電源。通常三相步進電機的轉子有 50 齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開半個齒距，即錯開 ? ， 定轉子小齒的齒距通常相同。轉子由環(huán)形永磁體及兩段鐵心組成，環(huán)形永磁體在轉子的中部，軸向充磁，使轉子一端極化為南磁極，另一端極化為北磁極。相對兩個磁極的勵磁繞組串聯(lián)在一起構成一相 的 控制繞組，通電 時，這兩個磁極的極性是相同的。定子結構包括定子磁極，繞組線圈和絕緣材料組成。微步可提供更小的步距角，同時可減小在步進電機低速運轉時的扭矩變化和共振問題。又具有永磁式步進電機的高效率，繞組電感比較小的特點，所以應用十分廣泛。本課題的研究主要針對常用的兩相混合式步進電機，皆在進行使步進電機優(yōu)化運行的控制驅動芯片設計。我國現(xiàn)有應用的步進電機 IC 芯片主要依賴進口， 而且 ，其中許多步進電機驅動芯片僅提供整步和半步控制，大大約束了步進電機性能的進一步提高。 主要研究內容 目前國內的步進電機驅動器一般都采用高低壓驅動方式或者調頻調壓驅動方式，這些驅動電路僅可實現(xiàn)基本步距的運行，可靠性不高，還存在運行速度低、缺乏保護電 路、驅動效率低和發(fā)熱損耗大等缺點。 近年來，國外許多廠商相繼推出了多種步進電機控制與驅動芯片和多種不同功率等級的功率模塊，僅由幾個專用芯片和一個功率模塊便可構成一個功率齊全、性能優(yōu)異的步進電機驅動器。另一類芯片的核心是實現(xiàn)細分技術，內部集成 PWM 斬波控制和函數型雙極驅動電路細分控 制功能。比較典型的芯片有兩類 :一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進電機實現(xiàn)合理的加減速過程，同時完成計步、正反轉等。 5 國外發(fā)展 趨勢 國外對步進電機的研究一直很活躍。細分驅動能極大地改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。整個系統(tǒng)的功耗非常小，電源效率較高，因恒流斬波電路應用相當廣泛。但由十電機旋轉反電勢和互感等因素的影響，易使電流波形在高壓工作結束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。 高低壓驅動電路在六十年代末出現(xiàn)，是隨著對步進電機要求大功率驅動和高頻工作出現(xiàn)的。單電壓的驅動電路在二十世紀六十年代初國外就已大量使用，它的主要特點是線路結構簡單和成本低，電機的高頻特性好。隨著成本的降低及使用經驗的積累，越來越多的驅動電源將會使用 MOSFET 作為末級功放 元 件。 具有控制方便、開關速度快以及 元 件損耗小等優(yōu)點，并目 _由十采用先進的設計，晶體管的開關特性和耐壓過流能力有了相當大的改進，因 此 近幾年國內外絕大多數的驅動電源使用晶體二極管作為末級功放 元 件?？煽毓桦m然觸發(fā)簡單，但關斷困難，容易形成誤觸發(fā)，可靠性差，抗干擾能 不 好?？煽毓枋且环N脈沖觸發(fā)的開關器件，它突出的優(yōu)點是輸入功率小、輸出功率大、耐壓高、成本較低。 國內 發(fā)展 趨勢 現(xiàn)主要從以下兩個方面對其發(fā) 展及國內研制概況進行論述： 大 級使用元件情況 驅動電源性能的好壞及可靠性，在很大程度上與末級功放所用的功率 元 件直接相關。步進電機驅動電源同步進電機本身是一個整體，其性能好壞直接影響步進電機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。 步進電機 國內外發(fā)展趨勢 雖然步進電機是一種數控元件，一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動步進電機，必須有一個與之匹配的驅動電路來驅動步進電機。當脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電機會出現(xiàn)嚴重的振動，甚至失步導致無法工作，這就是步進電機的低頻共振現(xiàn)象。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。步進電機的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。有多種情況會產生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻 3 率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負載轉矩超過了起動轉矩，共振等。 （ 4） 從應用的角度來看，嚴重制約步進電機的兩個問題是失步和振蕩。 （ 2） 不能直接使用普通的交直流電驅動，而必須使用專用設備 — 步進電機驅動器。 步進電機在中低速時具有較大的轉矩，能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。 不使用電刷，電機的壽命長，僅取決于軸承的壽命。因為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉速度可在相當寬范圍內平滑調 節(jié)。 （ 半步 )，是非常小的 ， 停止定位精度誤差皆在每步 3～ 5%以內，且無累積誤差，故可達到高精度的定位控制。 2 步進電機特怔 步進電機具有自身的特點，歸納起來有： 以 5 相步進電機為例，其定位基本單位 (分辨率或稱步距角 )為 176。 國外步進電機研究較早，步進電機驅動技術的研究成果也很多，如今正在研究開發(fā)以步進電動機為執(zhí)行機構的高性能伺服系統(tǒng)。近 20 多年來，步進電機驅動技術和電機結構都得到了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應式為主的產品格局。這些特點使它廣泛使用十數字控制的開環(huán)系統(tǒng)中，并使整個系統(tǒng)大為簡化又運行可靠。所以，電機步距角和轉速大小都不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動等影響。又因其繞組上所加的電源式脈沖電壓，有時也稱 它為脈沖電動機。它可以看作是一種特殊運行方式的同步電動機，由專用電源供給電脈沖，每輸入一個脈沖，步進電機就移動一步。s need for different step angles After study many kinds of driver technology, a microstepping driver for twophase 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 overes the disadvantages of motor39。s 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 maintain high speed torque. As a result, motor39。同時該驅動器具有較小的體積、較低的成本和較高的可靠性。以滿足不同用戶和不同電機的要求 ,該驅動器的功率驅動部分使用 NMOS 智能功率模塊，提高了驅動器可靠性。正弦電流細分技術基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪音大的缺點，減小發(fā)生共振的幾率。并且為滿足 用戶對不同步距角的要求。 步進電機的使用離不開步進電機驅動器，步進電機的運行性能與步進電機驅動器的優(yōu)劣密切相關。 I 畢業(yè)論文 高精度步進電機控制系統(tǒng)的研究 摘 要 步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執(zhí)行機構，步進電機的主要優(yōu)點是有較高的定位精度，無位置累積誤差 ， 并且特有的開環(huán)運行機制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比減少系統(tǒng)成本，提高了可靠性，在數控領域得到了廣泛的應用。但是，步進電機在低速運行時的振動、噪聲大，在步進電機的自然振蕩頻率附近運行時易產生共振，輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降，這些缺點制約了步進電機的應用范圍。傳統(tǒng)的 驅動方式偏重使步進電機繞組電流以盡可能短的時間上升到額定值，從而提高電機高速運行時的轉矩，造成低速運行時的振動和噪音加大。 本文在調研各種驅