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步进电机的精确控制方法研究
摘要
随着微电子和计算机技术的不断进步和高速的更新换代，作为机电一体化进程中制造出来的一种主要产品的步进电机的产量和数量也逐渐增多。而且对于步进电机的应用也是是十分广泛的，比如很多的自动控制系统中大部分都会涉及到步进电机的使用。众所周知，对于步进电机在应用方面的优势也是十分明显的，比如在对一些频带宽度较大的脉冲信号的控制，以此控制来实现对点击相关部件的速度调节上，实现速度控制以及相关部件的启动和停止，或者是控制相关部件的正向或者反向转动。另外一个很大的优势就是步进电机可以实现整个构件开环系统不仅仅结构设计简便易行，而且造价低廉，工作性能相当稳定可靠。
当前对步进电机的研究焦点主要集中在对步进电机的驱动控制上，然而驱动控制也是步进电机的一个重要的关键技术。步进电机的控制技术在很多的行业和领域里都有广泛的应用。对于步进电机相关技术的研究国内很多的专家和学者都从不同角度不同侧面给出了详细的论断。随着要求缩短步进电机的响应时间、提高运行速度等问题的提出，国内外的研究人员针对速度控制，提出了建立在线性速度模型和指数速度模型等数学模型上的控制方式，但都存在一定的问题；当解决要求步进电机有更小的步距角，更高的分辨率，或者为减小步进电机本身所固有的低频振动、噪声等问题时，出现了步进电机细分驱动技术，目前较为常见的有斩波恒流驱动、脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动等技术，这些驱动技术虽能满足特定场合的技术要求，但缺乏一定的灵活性。
本文的主要研究内容如下：
对步进电机及其细分驱动系统进行了详细阐述，研究了步进电机的工作原理、运行性能，分析了步进电机细分驱动系统的作用和适用性，并对国内外步进电机细分驱动系统的研究作了简要介绍。
研究了步进电机在加减速控制过程中脉冲频率曲线的设计和他们的优缺点，并提出以步进电机控制系统模型和矩频特性为依据，推导出其加减速控制过程中的线性加正弦函数，在不发生失步和过冲的前提下，能够缩短步进电机的加减速时间，提高运行速度，充分发挥步进电机的工作性能。
为解决消除电机的低频振荡，提高电机的输出转矩、分辨率和步距的均匀度，解决步进电机高精度细分和平滑运行、动态适应多级细分的技术难题，研究了步进电机的传统控制方法和细分控制原理，在控制方法上，本文通过分析两相混合式步进电机的运行原理，推导了其数学模型。在此基础上提出了电流矢量恒幅均匀旋转与可变细分相结合的控制策略，提出了一种新的趋圆自适应驱动模型，并给出了控制方法。通过实时计算的方式控制各相绕组电流，使其按阶梯正旋规律改变大小和方向，实现将步进电机一个整步均匀地分为若干个更细的微步，改变了以往细分控制参数需要事先计算的方式，节省了存贮空间，并能动态的适应多级细分的情况。
最后，通过模拟仿真等方法的试验研究，证明了这种模型和方法的可行性。本文的研究对于计算机技术应用于步进电机的速度控制和细分驱动控制方式的深入研究，拓宽步进电机的应用领域具有积极的意义。
关键词：步进电机；速度控制；细分驱动；自适应；仿真

第一章绪论
1.1步进电机概述
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1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩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。
1.2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