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2、利用三個定時器驅動三個步進電機的STM32程序（三個都帶加減速功能，曾用該程序開發過，親測可用，優化了很久）https://download.csdn.net/download/mao_hui_fei/10432082

目錄：
一、靜態指標術語
二、動態指標術語
三、步進電機加減速過程控制技術
四、步進電機的細分驅動控制
五、步進電機控制策略

一、靜態指標術語

1、相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（504）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。

5、靜轉矩：電機在額定靜態電壓作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

二、動態指標術語

1、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。

2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步，亦稱丟步。

3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

6、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。

8、空載啟動頻率：，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生失步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。因此步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

三、步進電機加減速過程控制技術

正因為步進電機的廣泛應用,對步進電機的控制的研究也越來越多,在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快,轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化,產生堵轉或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步,提高工作頻率,要對步進電機進行升降速控制。

步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈沖頻率成正比,而且在時間上與脈沖同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下,只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的,為了不發生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉子直徑增大,慣量增大,啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。

步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率,而要有一個啟動過程,即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運行頻率不能立即降為零,而要有一個高速逐漸降速到零的過程。

步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降,啟動頻率越高,啟動力矩就越小,帶動負載的能力越差,啟動時會造成失步,而在停止時又會發生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖,其關鍵在于使加速過程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩,又不能超過這個力矩。因此,步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間盡量的短,恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中,從起點到終點運行的時間要求最短,這就必須要求加速、減速的過程最短,而恒速時的速度最高。

國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究,建立了多種加減速控制數學模型,如指數模型、線性模型等,并在此基礎上設計開發了多種控制電路,改善了步進電機的運動特性,推廣了步進電機的應用范圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性,既能保證步進電機在運動中不失步,又充分發揮了電機的固有特性,縮短了升降速時間,但因電機負載的變化,很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關系,不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性,這種升速方法的加速度是恒定的,其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性,步進電機在高速時會發生失步。

總結：即電機啟動和停止時要有適當的加速減速過程。

四、步進電機的細分驅動控制

步進電機由于受到自身制造工藝的限制,如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定,但轉子齒數和運行拍數是有限的,因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的,步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動,噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合,對要求較高的場合,只能采取閉環控制,增加了系統的復雜性,這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。

步進電機細分驅動技術是90年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。細分驅動技術的廣泛應用,使得電機的相數不受步距角的限制,為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上,采用斬波恒流驅動,脈沖寬度調制驅動、電流矢量恒幅均勻旋轉驅動。大大提高了步進電機運轉精度,使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發展。

五、步進電機控制策略

1、 PID 控制
PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 , 在步進電機驅動中獲得了廣泛的應用。它根據給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ,對被控對象進行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中 ,以位置檢測器和矢量控制為基礎 ,設計出了一個可自動調節的 PI 速度控制器 ,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態特性 。文獻2根據步進電機的數學模型 ,設計了步進電機的 PID 控制系統 ,采用 PID 控制算法得到控制量 ,從而控制電機向指定位置運動 。最后 ,通過仿真驗證了該控制具有較好的動態響應特性 。采用 PID 控制器具有結構簡單 、魯棒性強 、可靠性高等優點 ,但是它無法有效應對系統中的不確定信息 。

目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 , 形成帶有智能的新型復合控制 。這種智能復合型控制具有自學習 、自適應 、自組織的能力 ,能夠自動辨識被控過程參數 , 自動整定控制參數 , 適應被控過程參數的變化 ,同時又具有常規 PID 控制器的特點。

2、 自適應控制
自適應控制是在 20 世紀 50 年代發展起來的自動控制領域的一個分支 。它是隨著控制對象的復雜化 ,當動態特性不可知或發生不可預測的變化時 ,為得到高性能的控制器而產生的 。其主要優點是容易實現和自適應速度快 ,能有效地克服電機模型參數的緩慢變化所引起的影響 ,是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩定的自適應控制算法 , 這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數 。文獻將閉環反饋控制與自適應控制結合來檢測轉子的位置和速度 , 通過反饋和自適應處理 ,按照優化的升降運行曲線 , 自動地發出驅動的脈沖串 ,提高了電機的拖動力矩特性 ,同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩的轉速 。

目前 ,很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合 ,以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ,確保了轉動脈矩的最大化補償及伺服系統低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻2實現的自適應模糊 PID 控制器可以根據輸入誤差和誤差變化率的變化 , 通過模糊推理在線調整 PID參數 ,實現對步進電機的自適應控制 , 從而有效地提高系統的響應時間 、計算精度和抗干擾性 。

3、 矢量控制
矢量控制是現代電機高性能控制的理論基礎 ,可以改善電機的轉矩控制性能 。它通過磁場定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量分別加以控制 ,從而獲得良好的解耦特性 ,因此 , 矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ,又需要控制電流的相位 。由于步進電機不僅存在主電磁轉矩 , 還有由于雙凸結構產生的磁阻轉矩 , 且內部磁場結構復雜 , 非線性較一般電機嚴重得多 , 所以它的矢量控制也較為復雜 。文獻[ 1] 推導出了二相混合式步進電機 d-q 軸數學模型 ,以轉子永磁磁鏈為定向坐標系 ,令直軸電流 id =0 ,電動機電磁轉矩與 i q 成正比 , 用PC 機實現了矢量控制系統 。系統中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉自位置 ,用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文獻推導出基于磁網絡的二相混合式步進電機模型 , 給出了其矢量控制位置伺服系統的結構 ,采用神經網絡模型參考自適應控制策略對系統中的不確定因素進行實時補償 ,通過最大轉矩/電流矢量控制實現電機的高效控制 。

4 、智能控制的應用
智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數學模型 ,只按實際效果進行控制 , 在控制中有能力考慮系統的不確定性和精確性 , 突破了傳統控制必須基于數學模型的框架 。目前 , 智能控制在步進電機系統中應用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經網絡和智能控制的集成 。

4 . 1 模糊控制
模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ,運用模糊控制器的近似推理等手段 ,實現系統控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結果的控制方式 , 模糊控制已廣泛應用于工業控制領域 。與常規控制相比 ,模糊控制無須精確的數學模型 , 具有較強的魯棒性 、自適應性 , 因此適用于非線性 、時變 、時滯系統的控制 。文獻[ 2] 給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應用實例 。系統為超前角控制 ,設計無需數學模型 ,速度響應時間短 。

4 . 2 神經網絡控制
神經網絡是利用大量的神經元按一定的拓撲結構和學習調整的方法 。它可以充分逼近任意復雜的非線性系統 ,能夠學習和自適應未知或不確定的系統 ,具有很強的魯棒性和容錯性 ,因而在步進電機系統中得到了廣泛的應用 。文獻將神經網絡用于實現步進電機最佳細分電流 , 在學習中使用 Bay es 正則化算法 ,使用權值調整技術避免多層前向神經網絡陷入局部極小點 ,有效解決了等步距角細分問題 。

參考資料

劉寶志 ．步進電機的精確控制方法研究： 山東大學 ，2010

潘健, 劉夢薇.．步進電機控制策略研究：現代電子技術,，2009
3.百度百科。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的步进电机进阶——控制，（包含原理及相关源代码）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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