步进电动机微步驱动位置闭环控制的研究
恽为民 侯琳棋（哈尔滨工业大学）
【摘 要】首先阐述步进电动机的微步驱动原理及实现技术，然后提出微步驱动位置闭环控制的原理及控制程序流程，并介绍了8031单片机构成的控制器，最后给出试验结果。
【叙 词】步进电动机／微步驱动位置自动控制／闭环控制单片微型机
1引言
步进电动机主要有反应式、永磁式、混合式等3种类型，其优点是，数字式控制；成本低；低转子惯量；无漂移、无累积定位误差；能迅速加减速和停机；永磁式和混合式在停电时有较高定位转矩。主要缺点是，转换效率低；功率小；分辨率低；速度低；有丢步现象和低频振荡现象。
随着步进电动机微型计算机控制技术的发展，步进电动机的工作性能得到很大提高。微步技术可使每步细分成125微步或更多。闭环控制技术提高了步进电机的位置控制精度、运行稳定性和平均输出扭矩[2]。
微步(microstep)的概念是在70年代中期提出的。进行了研究[3 4]。微步数和徽步精度主要由控制器和步进电动机的特性决定。相 电流的选择有2种方法：①基于转矩一位移曲线。②基于把连续的磁场离散化。
涉进电动机闭环控制方法主要有核步法位置闭环控制和超前角速度闭环控制。
2微步驱动技术
数ns=8，转子齿数nr=6，则每转步数为：
步矩角为：
r=360度/n=15度
当a相通电时，转子停在与a相定子对准的状态，见图1。当a相通电转为b相通电时转子逆时针转过15度。当a相通电转为ab相通电时（见图2），转子逆时针转过7.5度，定位于ab相中间的一个电平衡点，当b相通电时，电流不是由零直接升至额定值ib，而是把其分成n个单位电流：
2.1步进电机微步驱动原理
图1 a相通电使b相电流随这个阶梯递增，通电状态对于图1所示四相步进电动机，定子齿的变化为：
那么转子将在每个微步状态ab,达到一个新的电平衡点，abi与abf．之间即构成一微步，a相二整步过程中的微步过程为：
则四相微步驱动的步距角公式为：
式中n-微步数，n——每转步数
2.2微步驱动技术的实现
微步驱动技术实现的关键是各相绕组电流的选择。一般按静转矩位移曲线选择电流，但是实际的步进电动机静转矩位移曲线并不是图3所示的理想正弦曲线。另外，相电流和静转矩的关系也不能精确建立。因此，为了实际的运用和计算机控制器的便利，一般均匀划分相电流，但可能引起步矩角的不均匀，这可通过均化手段进行改善。
本文实验系统中的步进电动机用作机器人的某一关节驱动器，采用四相混合式步进电动机，步矩角1.8度，两相通电微步驱动时，各相电流波形见图4。
当电机通以图4所示从左至右的各相电流时，步进电动机顺时针微步运行。变化的阶梯电流对应的数字值存在e—prom中，本文采用八位d/a转换，故数据范围为0～255，微步数也为1～255，实验系统中 |
