電機(jī)行程測(cè)試與控制的單片機(jī)設(shè)計(jì)摘要：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的開環(huán)裝置，又稱為脈沖電機(jī)，其輸入為脈沖序列，輸出為相應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移或直線行程。針對(duì)開環(huán)控制下，步進(jìn)電機(jī)存在丟步、堵轉(zhuǎn)、噪音大及效率低等問(wèn)題，本文以4線2相步進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，基于STM32單片機(jī)和PID閉環(huán)控制器，設(shè)計(jì)了可精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)角度位移的單片機(jī)系統(tǒng)。閉環(huán)控制器利用ATSAMD21G作為PID閉環(huán)控制算法的運(yùn)行平臺(tái)。在MATLAB中使用Simulink平臺(tái)搭建了PID控制算法的系統(tǒng)模型，進(jìn)行PID算法的系數(shù)和傳遞函數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)的仿真調(diào)試。選擇STM32F103VET6芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，完成主控模塊和串口通信模塊等各部分硬件電路設(shè)計(jì)，使用Keil作為整個(gè)控制系統(tǒng)軟件的編程環(huán)境，對(duì)主要的控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)成果展示，步進(jìn)電機(jī)在PID閉環(huán)控制算法下的角位移誤差較小，并且控制的響應(yīng)時(shí)間較快，擁有優(yōu)秀的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)以及較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足一些復(fù)雜條件下精準(zhǔn)運(yùn)行。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PID閉環(huán)控制；STM32；精準(zhǔn)定位目錄1緒論 11.1課題研究背景與意義 11.2步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 11.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 21.3.1正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) 31.3.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 31.3.3升降壓控制技術(shù) 31.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 4242步進(jìn)電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 42.142步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 42.242步進(jìn)電機(jī)的工作原理 62.342步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理 92.4H橋雙極性驅(qū)動(dòng) 103基于PID的閉環(huán)控制 113.1PID控制理論 113.1.1位置式PID算法 123.1.2增量式PID 133.1.2位置式PID與增量式PID對(duì)比 133.2PID控制算法的MATLAB仿真及參數(shù)整定 143.2.1PID控制算法的MATLAB仿真 143.2.2PID參數(shù)整定 193.3PID閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn) 213.3.1PID閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)器的軟件實(shí)現(xiàn) 213.3.2PID控制器的硬件設(shè)計(jì) 234四線二相步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)和軟件實(shí)現(xiàn) 284.1控制系統(tǒng)的總體框架 284.2主控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 294.2.1主控芯片的選型 294.2.2主控系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì) 304.3主控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 344.3.1軟件開發(fā)平臺(tái) 344.3.2主控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 354.4實(shí)驗(yàn)測(cè)試 364.4.1實(shí)驗(yàn)搭建 364.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 375結(jié)論 38參考文獻(xiàn) 411緒論1.1課題研究背景與意義電能是當(dāng)今世界最重要的能量來(lái)源，電力的生產(chǎn)、輸送和使用都離不開電動(dòng)機(jī)。電機(jī)作為大部分機(jī)械電子產(chǎn)品中不可或缺的重要部件。工業(yè)化生產(chǎn)的推廣的程度愈來(lái)愈高，電機(jī)控制系統(tǒng)要求高精密、效率高、高應(yīng)變性、智能化系統(tǒng)和一體化。包含電機(jī)以及控制系統(tǒng)軟件內(nèi)的電機(jī)領(lǐng)域行業(yè)前景廣泛看中。再加上MCU、DSP、FPGA等電機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展趨勢(shì)，完成性能卓越的無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器綜合控制變速系統(tǒng)將變成將來(lái)電機(jī)控制銷售市場(chǎng)的發(fā)展趨向。據(jù)環(huán)球觀察公司的調(diào)查，世界電機(jī)的市場(chǎng)在2025年將會(huì)達(dá)到1550億美金。縱觀全球電機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)情況，通用電氣(GE)、西門子、ABB、東芝三菱等多個(gè)國(guó)際巨頭占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，他們掌握著世界最先進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)。為超越國(guó)外電機(jī)控制的技術(shù)水平，研究如何高精度、高效率、高靈活、智能化和集成化控制電機(jī)尤為必要。1.2步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀我國(guó)步進(jìn)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展較晚，直到20世紀(jì)50年代末，才有清華大學(xué)為首的國(guó)內(nèi)高校對(duì)步進(jìn)電機(jī)開始研究項(xiàng)目，最早使用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，至今使用范圍仍然很廣泛ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>唐佳偉</Author><Year>2016</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">26</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>唐佳偉</author></authors><tertiary-authors><author>金海,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制器的設(shè)計(jì)</title></titles><keywords><keyword>兩相混合式步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>細(xì)分控制</keyword><keyword>續(xù)流控制</keyword><keyword>交替續(xù)流</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><publisher>浙江理工大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[1]。從20世紀(jì)六十年代起，我國(guó)開始研究三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)，至20世紀(jì)70年代國(guó)內(nèi)高速數(shù)控切割機(jī)等數(shù)控設(shè)備的問(wèn)世極大地推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，各種高性能步進(jìn)電機(jī)相繼問(wèn)世ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>胡靜</Author><Year>2010</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">27</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>胡靜</author></authors><tertiary-authors><author>劉永紅,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>三相混合式步進(jìn)電機(jī)恒頻斬波恒總流驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真研究</title></titles><keywords><keyword>三相混合式步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>數(shù)學(xué)模型</keyword><keyword>恒頻斬波恒總流驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>單步響應(yīng)</keyword><keyword>Simulink仿真</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><publisher>武漢理工大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[2]。二十世紀(jì)末，我國(guó)開始了混合式步進(jìn)電機(jī)的科學(xué)研究新項(xiàng)目，資金投入很多人力物力科研資源開展步進(jìn)電機(jī)精密度實(shí)體模型的科學(xué)研究?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)以其效率高、可靠性強(qiáng)、力矩大，并且擁有良好的矩頻特性等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外大受歡迎，其中三相和五相這兩種電機(jī)型號(hào)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也在迅速發(fā)展。歐洲國(guó)家比較早地開始了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究，早在1920年，英國(guó)就開始了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究，是世界首個(gè)研究步進(jìn)電機(jī)的國(guó)家。國(guó)外學(xué)者在步進(jìn)電機(jī)的控制算法上，研究了新型PID控制器，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制理論的研究起到了指導(dǎo)性作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>沈紹敏</Author><Year>2018</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704209">12</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>沈紹敏</author><author>靳璐</author></authors></contributors><auth-address>天津瑞奇外科器械股份有限公司;</auth-address><titles><title>步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展</title><secondary-title>電子技術(shù)與軟件工程</secondary-title></titles><periodical><full-title>電子技術(shù)與軟件工程</full-title></periodical><pages>91</pages><number>16</number><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>細(xì)分驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><isbn>2095-5650</isbn><call-num>10-1108/TP</call-num><urls><related-urls><url>/kcms/detail/10.1108.TP.20180824.1414.130.html</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[3]。海外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的科研熱度自步進(jìn)電機(jī)研發(fā)以來(lái)一直沒(méi)有消退?，F(xiàn)階段，海外很多情況下使用專用型處理芯片來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這也是他們控制和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的具體發(fā)展規(guī)劃。這有益于節(jié)約驅(qū)動(dòng)器的耗材，減小體積，明顯提升驅(qū)動(dòng)器的綜合效能。典型性的控制源芯片有兩大類：一類處理芯片的核心內(nèi)容是用硬件配置和微程序以確保步進(jìn)電機(jī)完成快捷有效的加減速運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，進(jìn)行步距角的記步、使能正反轉(zhuǎn)等。針對(duì)開環(huán)進(jìn)行控制的步進(jìn)電機(jī)，有效率地控制提速和降速轉(zhuǎn)動(dòng)全過(guò)程可以使其做到較高的輸出功率，并減少轉(zhuǎn)子走步的遺失或超調(diào)。另一類處理芯片的核心內(nèi)容是完成步距角細(xì)分化的功能，處理芯片集成化了PWM斬波控制和作用于雙極性驅(qū)動(dòng)電路的函數(shù)型步距角細(xì)分控制功能。目前也存在缺點(diǎn)，由于集成芯片受到耐壓、電流容量等條件限制，一般只能用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張航鮮</Author><Year>2007</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">31</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>張航鮮</author></authors><tertiary-authors><author>楊銀堂,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>脈寬調(diào)制</keyword><keyword>細(xì)分驅(qū)動(dòng)</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><publisher>西安電子科技大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4]。DaishinIsob等人提出了一種步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制方法。采用直接PIM方法設(shè)計(jì)了原數(shù)字控制回路，控制器能在不影響步進(jìn)電機(jī)加速性能的前提下，在高速范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和減速進(jìn)行良好的控制ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Daishin</Author><Year>2021</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>IsobeDaishin</author><author>HoriNoriyuki</author><author>KawaiShin</author><author>YagiKeisuke</author><author>NguyenVanTriet</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofIntelligentandMechanicalInteractionSystems,UniversityofTsukuba,Tsukuba305-8577,Japan(S.K.)(T.N.-V.);NationalInstitudeofTechnology,OyamaCollege,Oyama323-0806,Japan;DomainofMechanicalSystemsEngineering,IbarakiUniversity,Hitachi316-8511,Japan</auth-address><titles><title>DigitalControlofaSteppingMotorforEliminatingRotationSpeedFluctuationsUsingAdaptiveGains</title><secondary-title>Electronics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Electronics</full-title></periodical><volume>10</volume><number>11</number><keywords><keyword>steppingmotor</keyword><keyword>adaptivecontrol</keyword><keyword>digitalcontrol</keyword><keyword>unevenrotation</keyword><keyword>chattering</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[5]。近年來(lái)，國(guó)外許多廠商接連推出了多種驅(qū)動(dòng)芯片與新型步進(jìn)電機(jī)控制器，SangminSuh提出了一種可以改善永磁步進(jìn)電機(jī)位置跟蹤性能的基于電流誤差的非線性迭代學(xué)習(xí)控制器(ILC)，可以減小系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行相同操作時(shí)的位置跟蹤誤差A(yù)DDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sangmin</Author><Year>2021</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">10</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>SuhSangmin</author><author>KimWonhee</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofInformationandTelecommunicationEngineering,Gangneung-WonjuNationalUniversity,Wonju-si,Gangwon-do26403,Korea;SchoolofEnergySystemsEngineering,Chung-AngUniversity,Seoul06974,Korea</auth-address><titles><title>PositionControlBasedonAdd-on-TypeIterativeLearningControlwithNonlinearControllerforPermanent-MagnetStepperMotors</title><secondary-title>AppliedSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>AppliedSciences</full-title></periodical><volume>11</volume><number>2</number><keywords><keyword>permanent-magnetsteppermotor</keyword><keyword>positioncontrol</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[6]。新型電機(jī)也不斷產(chǎn)出，MohammadrezaHojati介紹了一種新型的混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)三段轉(zhuǎn)子和一個(gè)二段定子，與傳統(tǒng)的混合式步進(jìn)電機(jī)相比，這種結(jié)構(gòu)可以使用更高的線圈激勵(lì)和適用更高的轉(zhuǎn)子直徑，這些優(yōu)點(diǎn)使得轉(zhuǎn)矩密度顯著增加，從而提升電機(jī)性能ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mohammadreza</Author><Year>2021</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">5</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>HojatiMohammadreza</author><author>BaktashAmir</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofMechatronics,ArakUniversity,Arak,Iran;DepartmentofElectricalEngineering,NajafabadBranch,IslamicAzadUniversity,Najafabad,Iran</auth-address><titles><title>Designandfabricationofanewhybridsteppermotorwithsignificantimprovementsintorquedensity</title><secondary-title>EngineeringScienceandTechnology,anInternationalJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>EngineeringScienceandTechnology,anInternationalJournal</full-title></periodical><volume>24</volume><number>5</number><keywords><keyword>Holdingtorque</keyword><keyword>Hybridsteppermotor</keyword><keyword>Torqueanalysis</keyword><keyword>Torquedensity</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>2215-0986</isbn><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[7]。在國(guó)內(nèi)外科研人員的努力研究下，步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)分類是依據(jù)穿過(guò)繞組的電流的方向來(lái)確定的。穿過(guò)繞組的電流只能從一個(gè)端口流入或流出稱之為單極性驅(qū)動(dòng)；穿過(guò)繞組的電流能從同一個(gè)端口流進(jìn)，也能從同一個(gè)端口流出，則稱之為雙極性驅(qū)動(dòng)。單極性驅(qū)動(dòng)就是控制單方向的電流注入電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能步進(jìn)電機(jī)，常見于反應(yīng)方程步進(jìn)電機(jī)的控制。由于永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向要求N和S極更替，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，改變通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向就要改變通電線圈的通電電流方向，所以控制其繞組線圈流入電流的電路為雙極性驅(qū)動(dòng)電路。單極性驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方法通常情況下用在一般型號(hào)的三相和四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，而兩相步進(jìn)電機(jī)根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)只適合雙極驅(qū)動(dòng)。常規(guī)的雙極性驅(qū)動(dòng)電路通常采用2個(gè)全H橋功率輸出通電開關(guān)。單極性步進(jìn)電機(jī)繞組的通電與置空的比例要比雙極性步進(jìn)電機(jī)低。依據(jù)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)的電路架構(gòu)來(lái)分類，可分成電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方法。電壓驅(qū)動(dòng)方法下又可以細(xì)分成串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)和雙電壓驅(qū)動(dòng)。電流驅(qū)動(dòng)方式中使用最廣泛、適用性最大的為電流反饋斬波驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)還存在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)工作效能低下的問(wèn)題，原因是將加快功率電路的開關(guān)頻率后，由于繞組為線圈，存在電感感抗，電機(jī)相繞組的電流不能快速的升高或降低，并且幅值較低。因此，驅(qū)動(dòng)電路采用過(guò)激勵(lì)方式，以解決被驅(qū)動(dòng)的相繞組都有較大的電感，總是使電流變化滯后于施加的開關(guān)電壓的問(wèn)題ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張航鮮</Author><Year>2007</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">31</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>張航鮮</author></authors><tertiary-authors><author>楊銀堂,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>脈寬調(diào)制</keyword><keyword>細(xì)分驅(qū)動(dòng)</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><publisher>西安電子科技大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4]。歷經(jīng)幾十年的磨合，如今電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究的發(fā)展已經(jīng)跟隨電機(jī)研究的發(fā)展趨勢(shì)相同了，研究人員們會(huì)從電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究，開發(fā)適合的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)技術(shù)。1.3.1正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的工作實(shí)質(zhì)上是利用勵(lì)磁線圈的磁向量的矢量和使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在不進(jìn)行分割時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的環(huán)線圈電磁感應(yīng)生成的向量之和將按固定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如果把該固定角再分成幾等分，就能得到步距的細(xì)分。因?yàn)樵趧?lì)磁線圈上電以后，所生成的磁場(chǎng)與所經(jīng)過(guò)的電流是成比例的，所以所生成的磁場(chǎng)的向量和所形成的磁場(chǎng)的方向和大小是可以被控制，這是因?yàn)樗霾竭M(jìn)電機(jī)的線圈所生成的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行半步模式或整步模式時(shí)，只需對(duì)繞組進(jìn)行輸入電流或輸出電流的操作，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于細(xì)分步距角的模式下就需要準(zhǔn)確控制流過(guò)電機(jī)線圈中流過(guò)電流的大小ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳志聰</Author><Year>2008</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">29</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>陳志聰</author></authors><tertiary-authors><author>郭東輝,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>運(yùn)動(dòng)控制</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><publisher>廈門大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[8]。1.3.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)目前精準(zhǔn)控制繞組電流的大小一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM技術(shù)是建立在以下理論基礎(chǔ)上：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ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孔祥東</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">33</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>孔祥東</author></authors><tertiary-authors><author>王偉,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>多細(xì)分三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器研究及實(shí)現(xiàn)</title></titles><keywords><keyword>混合式步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>細(xì)分驅(qū)動(dòng)器</keyword><keyword>脈寬調(diào)制</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><publisher>大連理工大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[9]。由于感應(yīng)線圈中的電流具有滯后的特點(diǎn)，使其無(wú)法瞬間改變，且具有明顯的慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)，PWM技術(shù)可以用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，由于脈寬的變化，繞組的電壓也會(huì)隨之變化，因而PWM用于對(duì)繞組的電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>姜杏輝</Author><Year>2008</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">30</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>姜杏輝</author></authors><tertiary-authors><author>鄒麗新,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于可控電流源的高精度高細(xì)分?jǐn)?shù)步進(jìn)電機(jī)電細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>可控電流源</keyword><keyword>細(xì)分驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>非線性補(bǔ)償</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><publisher>蘇州大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[10]。1.3.3升降壓控制技術(shù)升頻升壓控制技術(shù)是通過(guò)變換電路，使加在電機(jī)繞組上的電壓隨著運(yùn)行頻率的升高而升高，從而在一定的升頻升壓頻域內(nèi)保持電流和牽出轉(zhuǎn)矩基本恒定ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>吳欣</Author><Year>2009</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">28</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>吳欣</author></authors><tertiary-authors><author>高晗瓔,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于DSP的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦波細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究</title></titles><keywords><keyword>混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)</keyword><keyword>正弦波細(xì)分</keyword><keyword>PWM</keyword><keyword>DSP</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><publisher>哈爾濱理工大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[11]。采用該方法可以減小步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)的供給，從而減少步進(jìn)電機(jī)在低頻的情況下發(fā)生振蕩的問(wèn)題，提高其低頻特性。當(dāng)前技術(shù)還不能使用閉環(huán)控制的方式還控制升壓電壓，所以電壓開環(huán)控制存在下列問(wèn)題：開環(huán)控制電壓，電容受供電電壓波動(dòng)的影響；驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓大小與繞組的電阻決定著通過(guò)步進(jìn)電機(jī)繞組的電流大小，因而電流易受環(huán)境如電源電壓、電機(jī)本身電氣參數(shù)等因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低或勵(lì)磁線圈過(guò)熱ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張健</Author><Year>2018</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">24</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>張健</author></authors><tertiary-authors><author>崔皆凡,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于STM32的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究</title></titles><keywords><keyword>兩相混合式步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>位置控制</keyword><keyword>速度反步控制器</keyword><keyword>STM32</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[12]。由于步進(jìn)電機(jī)的電阻非常低，低速運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)器要保證不產(chǎn)生過(guò)電電流必須保持較小的輸出電壓，而過(guò)低的繞組電壓使得電機(jī)的快速響應(yīng)性較差，驅(qū)動(dòng)器適應(yīng)性差，必須針對(duì)不同型號(hào)的電機(jī)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)已提出一種利用電壓反饋的升頻升壓控制技術(shù)，并已經(jīng)投入使用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刁奉麗</Author><Year>2006</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">32</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>刁奉麗</author></authors><tertiary-authors><author>李敏遠(yuǎn),</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>二相混合式步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電動(dòng)機(jī)</keyword><keyword>微步驅(qū)動(dòng)</keyword><keyword>電流控制</keyword><keyword>恒頻脈寬調(diào)制</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><publisher>西安理工大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[13]。1.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖使能增量運(yùn)動(dòng)的電磁感應(yīng)執(zhí)行器，向步進(jìn)電機(jī)各個(gè)相繞組根據(jù)一定的邏輯順序發(fā)送特定頻率的電脈沖，使步進(jìn)進(jìn)行角度位移或者機(jī)械運(yùn)動(dòng)。所以，必須配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)源和驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和主控器三者組成的系統(tǒng)被稱為步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械輸出，如轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度等，都與輸入系統(tǒng)的脈沖頻率、脈沖個(gè)數(shù)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使其在數(shù)字控制系統(tǒng)適用性極高。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)常用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)易形成振蕩區(qū)，在諧振區(qū)的振動(dòng)噪聲較一般振蕩區(qū)的大，并且在負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)急劇變化時(shí)，電機(jī)容易產(chǎn)生丟步或者超前調(diào)步等一系列問(wèn)題，所以開環(huán)控制一般在負(fù)載較輕，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)精度不高的情況下使用。與開環(huán)控制相反，閉環(huán)控制的方式可以減小步進(jìn)電機(jī)行程的誤差，多用于負(fù)載狀態(tài)多變，精度要求較高的使用場(chǎng)景。242步進(jìn)電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.142步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的分類繁多，根據(jù)相數(shù)不同可以分為單相步進(jìn)電機(jī)、二相步進(jìn)電機(jī)、三相步進(jìn)電機(jī)、四相步進(jìn)電機(jī)和五相步進(jìn)電機(jī)等。四線二相步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有四條接線，構(gòu)成兩條回路，即兩個(gè)繞組故稱兩相。因?yàn)閮蓚€(gè)線圈構(gòu)成的兩個(gè)回路沒(méi)有公共端，所以兩個(gè)線圈內(nèi)的電流的方向可以改變，既可以是正向的又可以是反向的，故也稱四線二相步進(jìn)電機(jī)為雙極性步進(jìn)電機(jī)。42步進(jìn)電機(jī)具有步距角小、范圍寬、功耗低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，如今已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。42步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示圖2-142電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖本文所用到的42步進(jìn)電機(jī)的電氣參數(shù)如表2-1所示表格2-142步進(jìn)電機(jī)的電氣參數(shù)特性規(guī)格相數(shù)2步距角1.8°±0.09°額定電壓DC3.6V額定電流DC1.5A/相相電阻（20℃）2.4×（1±15%）Ω/相相電感（1KHZ）3.7×（1±20%）mH/相保持轉(zhuǎn)矩≥420mN.m定位轉(zhuǎn)矩15mN.mREF.轉(zhuǎn)向（軸伸向看）A-AB-B-順時(shí)針最大空載啟動(dòng)頻率≥1500PPS最大空載運(yùn)行頻率≥1900PPS絕緣阻尼≥100MΩ（DC500V）電氣強(qiáng)度AC600V/1mA/1S絕緣等級(jí)B級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量57.3g.cm2質(zhì)量255gREF.（1）相數(shù)：勵(lì)磁線圈的對(duì)數(shù)，其能生成N和S的磁場(chǎng)，通常使用m來(lái)表示。（2）拍數(shù)：每個(gè)周期包含的通電狀態(tài)數(shù)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的脈沖需求量。（3）步距角：接收一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移用θ表示ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>桑占良</Author><Year>2021</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>桑占良</author></authors></contributors><auth-address>中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司;</auth-address><titles><title>步進(jìn)電機(jī)精確控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</title><secondary-title>科技與創(chuàng)新</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技與創(chuàng)新</full-title></periodical><pages>39-41</pages><number>02</number><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>開環(huán)控制</keyword><keyword>閉環(huán)控制</keyword><keyword>步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>2095-6835</isbn><call-num>14-1369/N</call-num><urls></urls><electronic-resource-num>10.15913/ki.kjycx.2021.02.012</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[14]。θ其中N為一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)，Zr（4）轉(zhuǎn)速：n（r/min）n=（5）定位轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的閉合扭矩（由于磁場(chǎng)齒的共振和機(jī)械誤差造成）。（6）靜轉(zhuǎn)矩：當(dāng)電機(jī)在額定靜止電壓下不做轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)軸的閉合扭矩。該扭矩是一種測(cè)量電機(jī)體積的指標(biāo)，它不依賴與驅(qū)動(dòng)電壓和功率，所以應(yīng)當(dāng)采用規(guī)定的勵(lì)磁線圈個(gè)數(shù)和合適大小的氣隙，盲目地增加勵(lì)磁匝數(shù)和不科學(xué)的減小氣隙來(lái)提高靜力矩是不可取的，否則會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱并產(chǎn)生機(jī)械噪音。2.242步進(jìn)電機(jī)的工作原理由于雙極性步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有公共端，且線圈中的電流方向也是可以改變的，因此需要每次控制兩個(gè)端口。假設(shè)兩相繞組為A+相、B+相、A-相、B-相，在電流作用下，定子勵(lì)磁后，根據(jù)楞次定律產(chǎn)生N極和S極兩個(gè)磁極。在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子被磁場(chǎng)力推動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁極需要尋找到新的受力平衡點(diǎn)，從而繞著轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。每一次輸入脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，連續(xù)地輸入脈沖，電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了。（1）單相整步驅(qū)動(dòng)方式。A相與B相中同時(shí)只勵(lì)磁一個(gè)相。某一時(shí)刻，當(dāng)勵(lì)磁電流由A+相流向A-相時(shí)，由右手定則得A+定子靠近中心端為S極，A-定子靠近中心端為N極，轉(zhuǎn)子同時(shí)受兩個(gè)磁極的作用，使得轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)向A+端，轉(zhuǎn)子S極轉(zhuǎn)向A-端，下一時(shí)刻，B相繞組通電，A相繞組斷電，勵(lì)磁電流從B+端流向B-端，同理由右手定則得B+定子靠近中心端為N極，B-定子靠近中心端為S極，轉(zhuǎn)子被定子吸引，轉(zhuǎn)子朝A+到B+方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距，通電次序?yàn)锳+→A-，B+→B-，A-→A+，B-→B+，完成一個(gè)工作周期，如圖2-2所示，每改變一次通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。圖2-2步進(jìn)電機(jī)單相整步驅(qū)動(dòng)原理圖（2）兩相整步驅(qū)動(dòng)方式。某一時(shí)刻，將A+B+都接正極，A-B-都接負(fù)極，勵(lì)磁電流分別由A+→A-和B+→B-，由右手定則得A+定子靠近中心端為S極，A-定子靠近中心端為N極，B+定子靠近中心端為S極，B-定子靠近中心端為N極，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受磁力為兩個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁力的矢量和，使轉(zhuǎn)子的N極指向A+與B+之間，轉(zhuǎn)子的S極指向A-與B-之間。下一時(shí)刻，勵(lì)磁電流由A-→A+和B+→B-，由右手定則得A+定子靠近中心端為N極，A-定子靠近中心端為S極，B+定子靠近中心端為S極，B-定子靠近中心端為N極，此時(shí)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)動(dòng)到B+和A-之間，方向?yàn)锽+與A-磁力的矢量和。通電次序?yàn)锳+B+→A-B-，A-B+→A+B-，A-B-→A+B+,A+B-→A-B+,完成一個(gè)工作周期，如圖2-2所示每改變一次通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。圖2-2步進(jìn)電機(jī)雙相整步驅(qū)動(dòng)原理圖（3）半步驅(qū)動(dòng)。如圖2-3所示雙極性步進(jìn)電機(jī)的半步驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于將單相整步與相整步結(jié)合到一起，半步驅(qū)動(dòng)的1、3、5、7拍相當(dāng)于單相整步，而2、4、6、8拍相當(dāng)于兩相整步，每個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)齒距。圖2-3步進(jìn)電機(jī)半步驅(qū)動(dòng)原理圖2.342步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理上世紀(jì)70年代的時(shí)候就已經(jīng)有人提出了細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過(guò)對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)定子相鄰勵(lì)磁繞組的電流合成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電流矢量，從而使得步進(jìn)電機(jī)定子相鄰勵(lì)磁繞組的合成磁場(chǎng)成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的均勻磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王曉峰</Author><Year>2020</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">23</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>王曉峰</author></authors><tertiary-authors><author>呂東澔,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制</title></titles><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>DRV8825</keyword><keyword>梯型-S型控制算法</keyword><keyword>STM32F407</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><publisher>內(nèi)蒙古科技大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><electronic-resource-num>10.27724/ki.gnmgk.2020.000344</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[15]。根據(jù)雙極性步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)本身的步距可以分為整步和半步兩種，以本文使用的42步進(jìn)電機(jī)為例，整步驅(qū)動(dòng)是1.8°，半步驅(qū)動(dòng)則是0.9°。將整步驅(qū)動(dòng)時(shí)的各相電流按階梯狀n步增加，使合成的磁場(chǎng)矢量在空間上的任意位置處，實(shí)質(zhì)上是減小了步距角。采用了細(xì)分控制后，步距角減小到整個(gè)步距角的1/n，從而提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行精度，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。即使擁有一定的控制精度，但在常規(guī)使用中加上負(fù)載裝置，由于各矢量合成的磁場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的力矩也會(huì)大小不同，驅(qū)動(dòng)負(fù)載精度就會(huì)有所下降。步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的力矩的大小由推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)力的大小決定，轉(zhuǎn)子每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也由轉(zhuǎn)子磁極所受磁力的矢量方向決定，所以，要對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制，并且產(chǎn)生均勻的力矩，就要使得電機(jī)內(nèi)部推動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)合力的數(shù)值量大小恒定，且磁場(chǎng)力的合力方向要在以轉(zhuǎn)軸為中心向外輻射的方向均勻變化，這就需要對(duì)輸入繞相線圈的電流進(jìn)行精細(xì)化控制。2.4H橋雙極性驅(qū)動(dòng)在電子與電氣技術(shù)先進(jìn)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)下，如今大部分步進(jìn)電機(jī)都選用H橋雙極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于高效率、變速高精度、動(dòng)態(tài)工作效能好，另外也很重要的是它具備良好的中低頻特性，使電機(jī)的輸出力矩維持在穩(wěn)定水平，還有益于驅(qū)動(dòng)器的集成化設(shè)計(jì)，控制也十分利于實(shí)現(xiàn)。圖2-4H橋電路原理圖如圖2-4所示，當(dāng)MOS管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組便與直流電源連接，向繞組中通入正向電流。當(dāng)Q1和Q4截?cái)鄷r(shí)，電流不會(huì)馬上將至零，此時(shí)的二極管D2與MOS管連通構(gòu)成一個(gè)續(xù)流回路。相似的，當(dāng)另一邊對(duì)稱的橋臂MOS管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的相繞組反向接上直流電源，向繞組中輸入負(fù)向電流。當(dāng)Q3截止時(shí)，二極管D4和MOS管Q2連通構(gòu)成續(xù)流回路。通過(guò)H橋雙極性驅(qū)動(dòng)的方法可以知道，H橋中MOS管的導(dǎo)通與截止可以改變通過(guò)步進(jìn)電機(jī)繞組相的電流方向，而MOS管的導(dǎo)通與截止的間隔時(shí)間可以決定導(dǎo)通電流的大小ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>董馨雨</Author><Year>2021</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1648704245">17</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>董馨雨</author></authors><tertiary-authors><author>崔皆凡,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>兩相混合式步進(jìn)電機(jī)高精度閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究</title></titles><keywords><keyword>兩相混合式步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)</keyword><keyword>閉環(huán)控制</keyword><keyword>STM32</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><publisher>沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><electronic-resource-num>10.27322/ki.gsgyu.2021.000076</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[16]。3基于PID的閉環(huán)控制3.1PID控制理論P(yáng)ID即Proportional、Integral、Differential的縮寫，PID控制算法是結(jié)合比例、積分和微分三種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，PID算法是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。（1）PID算法連續(xù)公式：uKP為比例增益，KPTt為積分時(shí)間常數(shù)TDutet為給定值r（2）PID算法的一般形式：圖3-1PID控制流程圖通過(guò)圖3-2所示不難看出，PID控制本質(zhì)上是一個(gè)對(duì)真實(shí)值和理想計(jì)算結(jié)果的偏差進(jìn)行控制；若真實(shí)值與計(jì)算值偏離為0，比例系數(shù)與偏差的乘積也為0，比例控制環(huán)節(jié)不起作用，也就不需要進(jìn)行調(diào)制控制了，而積分部分則是用于排除靜態(tài)錯(cuò)誤，所謂靜態(tài)錯(cuò)誤，就是系統(tǒng)穩(wěn)定后的輸出與設(shè)置的差異，這種靜態(tài)錯(cuò)誤是無(wú)法被平衡的，必須添加一個(gè)積分環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)整；積分環(huán)節(jié)本質(zhì)上就是一個(gè)偏差累積的程序，將累積的錯(cuò)誤加到原來(lái)的體系上，以此來(lái)彌補(bǔ)系統(tǒng)帶來(lái)的靜態(tài)錯(cuò)誤。3.1.1位置式PID算法PID算法的離散公式：u對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，連續(xù)的公式比較難處理，所以需要對(duì)連續(xù)的PID公式進(jìn)行離散化處理：假設(shè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為T，則在kT時(shí)刻有：誤差值eke積分環(huán)節(jié)所有的誤差和，則有：e微分環(huán)節(jié)為第k時(shí)刻誤差的變化率，則有：e結(jié)合公式（3.3）、公式（3.4）、公式（3.5）代入到公式（3.1）中可得公式（3.2），其中Ki=KpTTi，Kd=比例項(xiàng)（P），由比例系數(shù)與誤差值的算術(shù)乘積構(gòu)成，輸出中加上誤差的比例成分，減小了與設(shè)定值之間的差距，輸入與輸出之間只要存在偏差值，就立即產(chǎn)生控制作用來(lái)減小產(chǎn)生的誤差，由此誤差將越來(lái)越小。積分項(xiàng)（I），比例項(xiàng)并不能完全解決控制問(wèn)題，某些情況下經(jīng)過(guò)比例控制后偏差值沒(méi)有發(fā)生改變，這就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)誤差，使得系統(tǒng)一直達(dá)不到期望的輸出值，為防止比例環(huán)節(jié)后造成靜態(tài)誤差，加入積分環(huán)節(jié)，加入累計(jì)誤差的值來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，消除靜態(tài)誤差來(lái)提高系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確度。微分項(xiàng)（D），微分環(huán)節(jié)的作用是反應(yīng)系統(tǒng)偏差值的整個(gè)變化趨勢(shì)，可以提前引入一個(gè)修正信號(hào)來(lái)消除將要產(chǎn)生的誤差。3.1.2增量式PID根據(jù)前面的位置公式（2），將k-1代入到公式（2）中得：u由：?u得：?u由公式（5）可知，增量式PID的輸出與第三次的偏差有很大的關(guān)系；公式（5）推倒的為上一次的調(diào)節(jié)量，也就是說(shuō)當(dāng)前的輸出，等于上一次的誤差與本次增加的調(diào)節(jié)量之和，公式如下：u3.1.2位置式PID與增量式PID對(duì)比增量式算法無(wú)需累計(jì)積分項(xiàng)，且僅與最近的誤差相關(guān)，且運(yùn)算錯(cuò)誤對(duì)其運(yùn)算的作用不大，而位置法則要求對(duì)最近發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分性累積，容易導(dǎo)致累積錯(cuò)誤大。在PID控制中，PID要求有積分和輸出限制，而增量式PID僅要求輸入限制，因而更適用于步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備的控制。而增量式適用于諸如液壓閥門之類的非集成元件。（1）位置PID優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：位置式PID是一種非遞推式算法，它能對(duì)諸如平衡車之類的執(zhí)行器進(jìn)行直接的控制，其數(shù)值與所述執(zhí)行器的實(shí)際位置（例如，電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前角位置）——對(duì)應(yīng)，因此在執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對(duì)象中可以很好應(yīng)用；缺點(diǎn)：每一次的輸入都涉及到以前的狀態(tài)，需要對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行累計(jì)，因此需要大量的時(shí)間和算力。（2）增量式PID優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：增量式PID控制算法的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)具備響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性、交互性和直觀性效果均良好ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>許洋</Author><Year>2022</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2efav29585wp2je95ef5tspy0eev00wpz5e9"timestamp="1644690066">1</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>許洋</author><author>周奎</author><author>楊亞會(huì)</author><author>楊倩</author><author>向婧燕</author></authors></contributors><auth-address>湖北汽車工業(yè)學(xué)院;</auth-address><titles><title>基于增量式PID的步進(jìn)電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</title><secondary-title>科技與創(chuàng)新</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技與創(chuàng)新</full-title></periodical><pages>172-175+178</pages><number>01</number><keywords><keyword>步進(jìn)電機(jī)</keyword><keyword>閉環(huán)控制系統(tǒng)</keyword><keyword>MCS51</keyword><keyword>增量式PID</keyword></keywords><dates><year>2022</year></dates><isbn>2095-6835</isbn><call-num>14-1369/N</call-num><urls></urls><electronic-resource-num>10.15913/ki.kjycx.2022.01.053</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[18]。存有操作失誤時(shí)反饋造成危害較小，必需時(shí)可根據(jù)邏輯推理去除不正確數(shù)據(jù)信息。手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊小，有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次的采樣值有關(guān)，在速度閉環(huán)控制中有很好出色的表現(xiàn)。缺點(diǎn)：積分截?cái)嘈?yīng)大，有穩(wěn)態(tài)誤差；溢出的影響大。有的被控對(duì)象的情況下用增量式控制則效果不太好。3.2PID控制算法的MATLAB仿真及參數(shù)整定3.2.1PID控制算法的MATLAB仿真為了確定PID控制算法對(duì)輸出控制的可行性與分析PID控制算法的工作性能，在MATLAB的Simulink環(huán)境進(jìn)行仿真，分析在不同控制項(xiàng)下的控制效果，以及凸顯各控制項(xiàng)的作用。（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所示圖3-2控制系統(tǒng)框圖控制器：G執(zhí)行器：G被控對(duì)象：G測(cè)量變送器：G系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：G圖3-3simulink仿真框圖如圖3-3所示，首先在simulink中搭建一個(gè)PID控制系統(tǒng)，為了方便作對(duì)比，一共設(shè)置了三組控制系統(tǒng)。每個(gè)仿真系統(tǒng)中，需要一個(gè)恒定的信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生信號(hào)值設(shè)置為100，作為期望輸出值；信號(hào)發(fā)生器之后是一個(gè)加法器，用于期望輸出信號(hào)與控制后的信號(hào)進(jìn)行疊加；加法器之后連接控制器，控制器的控制界面如下圖3-4所示，PID控制器可以分別設(shè)定比例項(xiàng)系數(shù)、積分項(xiàng)系數(shù)以及微分項(xiàng)系數(shù)，調(diào)整各系數(shù)的值，從而達(dá)到不同的控制效果。被控系統(tǒng)輸出后的值再與期望值做差得出誤差量，誤差量進(jìn)入PID控制器參與控制的調(diào)節(jié)。圖3-4PID控制器設(shè)置界面PID控制器后面連接被控對(duì)象，被控對(duì)象由一個(gè)傳遞函數(shù)構(gòu)成，傳遞函數(shù)模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖所3-5所示圖3-5傳遞函數(shù)參數(shù)設(shè)置界面（2）比例控制（P）仿真圖3-6比例控制仿真曲線圖根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，一般情況下，增大比例系數(shù)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，如圖3-6示Kp過(guò)小時(shí)可能無(wú)法消除誤差，形成靜態(tài)誤差，隨著Kp的增大，靜態(tài)誤差逐漸消失直至沒(méi)有，提前預(yù)調(diào)量逐漸變大，若Kp過(guò)大會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)輸出波動(dòng)（3）比例積分控制（PI）仿真分析圖3-7比例-積分仿真曲線圖上圖3-7為比例積分的仿真曲線圖，在實(shí)際的定高的情況下是需要精確定高的，需要消除靜態(tài)誤差，也就需要增加積分控制項(xiàng)，采取PI控制，在此組實(shí)驗(yàn)