系統(tǒng)設(shè)計時首先考慮穩(wěn)態(tài)性能。由允許的最大位置誤差和要求的最高步進頻率選擇步進電機和驅(qū)動電路。完成了這種選擇之后，接下來應(yīng)考慮怎樣對電機和驅(qū)動電路進行控制，怎樣把它們連接到系統(tǒng)的其他部分。開環(huán)控制具有簡單因而成本低等優(yōu)點，常用于簡易的經(jīng)濟型數(shù)控機床改造等技術(shù)中。圖1是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。相控制信號可以由微處理機產(chǎn)生，也可以用某種形式的時序電路產(chǎn)生。不管這種信號怎樣產(chǎn)生，設(shè)計者都需要知道它在定時上有些什么限制。例如特定負載轉(zhuǎn)矩的最高步進頻率；又如電機加速負載慣量的時間等。
開環(huán)控制方案中，負載位置對控制電路沒有反饋，因此，步進電機必須正確地響應(yīng)每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機不能夠移動到新的要求的位置，那么，實際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。如果負載參數(shù)基本上不隨時間變化，則相控制信號的定時比較簡單。但是，在負載可能變化的應(yīng)用場合中，定時必須以最壞（即最大負載）情況進行設(shè)定。當(dāng)然，這樣確定的控制方案對所有其他負載并非最佳。
1、啟停頻率
最簡單的開環(huán)控制方式是步進頻率恒定的那種控制方式（圖2），電機在達到目標(biāo)位置之前都以這個頻率轉(zhuǎn)動。相控制信號由時序發(fā)生器產(chǎn)生，時序發(fā)生器由來自恒頻時鐘的步進命令脈沖觸發(fā)。“啟動”信號接通這個時鐘，使電機以等于鐘頻的步進頻率運行；“停止”信號關(guān)斷這個時鐘，使電機停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動方向一開始就送到相時序發(fā)生器，因此，它產(chǎn)生的相控制信號能以合適的方向運轉(zhuǎn)電機。目標(biāo)位置送入減法計數(shù)器，并以這個計數(shù)器記錄執(zhí)行的步致。時鐘脈沖同時送給相時序發(fā)生器和減法計數(shù)器。于是，相激勵以恒定的鐘頻變化，減法計數(shù)器記錄電機相對目標(biāo)的瞬時位置。
負載達到目標(biāo)位置時，減法計數(shù)器的內(nèi)容成為零。時鐘的“停止”信號利用這個零產(chǎn)生。如果恒定鐘統(tǒng)頻率太高，電機不能把負載慣量加速到對應(yīng)的步進頻率；系統(tǒng)或者完全不能工作，或者在行程的開始階段失步。從靜止開始，電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率叫做“啟動頻率”。與此類似，“停止頻率”是系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，而電機不沖過目標(biāo)位置的最高步進頻率。對任何電機-負載組合來講，啟動頻率和停止頻率之間的差別都很小。粘性摩擦使加速度和步進頻率降低，但有助于減速，因此，提高了停止頻率。不過，在簡單的恒頻系統(tǒng)里，時鐘必須調(diào)整在兩者之中較低的那個頻率上，以此確�？煽康膯雍屯Ｖ�。
電機從靜止開始加速時，步進頻率很低；每相激磁周期比相電路的電氣時間常數(shù)長得多。在這種情況下，系統(tǒng)性能能夠用電機的靜轉(zhuǎn)短／轉(zhuǎn)子位置特性來分析。
分析結(jié)果得知：
（1）如果電機的轉(zhuǎn)矩（TM）增大或負載轉(zhuǎn)矩（TL）減小，則能提高啟動額率；（2）減少系統(tǒng)慣量（電機慣量+負載慣量）也能提高啟動頻率。
在系統(tǒng)工作壽命內(nèi)．由于零部件磨損，將影響負載轉(zhuǎn)矩。為了允許負載轉(zhuǎn)矩略為變化，恒頻鐘應(yīng)比求得的啟動頻率略低，且可調(diào)。為了確保系統(tǒng)在工作速度情況下對機械諧振不敏感，還應(yīng)考慮失步轉(zhuǎn)矩／頻率特性。如果算得啟動頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應(yīng)改用較低頻率的時鐘，或者通過增加阻尼降低諧振影響。實際工作中，啟動頻率也常常通過試驗求得。
2、加速和減速工作
因為步進電機系統(tǒng)的啟動頻率比它的最高運行頻率低得多，因此，為了減少定位時間，常常通過加速使電機在接近最高的速度下運行。隨著目標(biāo)位置的逼近，為使電機平穩(wěn)地停下來，重新使步進頻率逐漸降低到啟停電機頻率。從初始位置往目標(biāo)位置運動的整個過程中，步進頻率都在變。若以曲線表示即得“速度曲線”，如圖3所示。注意；減速可以比加速快得多，因為負載轉(zhuǎn)矩幫助系統(tǒng)制動；而且，電機產(chǎn)生的減速轉(zhuǎn)矩比 （a）速度曲線；（b）對應(yīng)的位置／時間響應(yīng)曲線加速轉(zhuǎn)矩大。
3、開環(huán)控制的實現(xiàn)
對任何系統(tǒng)，選擇控制方式都要考慮性能高和成本低等要求。例如，為了使加速方式最佳，也許要求按指數(shù)曲線上升，但是，實現(xiàn)的費用高。設(shè)計者也許會用比較簡單的線性斜坡來折衷，因為這種斜坡能以很低成本實現(xiàn)。另一方面，集成電路工藝的迅速發(fā)展，使我們能以低價制成的芯片得到各種各樣的電路功能，因此，估計以微處理機控制的潛在優(yōu)點成為很現(xiàn)實的問題。在微機控制的系統(tǒng)中，常�？梢园盐⑻幚頇C的富裕處理能力用來控制步進電機。這時，額外的存貯器成本和軟件開發(fā)成本的增加很可能低于獨立的硬件控制器的價格。
（1）以微處理機產(chǎn)生定時 微處理機很容易產(chǎn)生控制步進電機所要求的數(shù)字信號。開環(huán)控制中，即使負載很輕，步進電機也很少以大于10000步／秒的速度工作，因此，只要求微處理機每0.1毫秒發(fā)一次步進命令。而每次發(fā)送步進命令所需要的程序執(zhí)行時間比0.1毫秒小很多，所以，微處理機完全有多余能力執(zhí)行別的任務(wù)。使用中斷子程序控制電機能使處理能力得到充分利用。
在這個實例中，電機的步數(shù)是固定的，步進命令之間的時間受從“TABLE”單元開始的查閱表里存儲數(shù)值的控制。程序以設(shè)寄存器“指針”等于“TABLE”開始，因此，“指針”里裝有查閱表中第一個值的地址。然后，把第一次步進命令發(fā)給激磁時序控制器，用它改變電機里的相激磁。
在發(fā)下一次步進命令之前必須進行延時，使電機有時間執(zhí)行第一步。這時， 取出由指針尋址的延時數(shù)（第一次為查閱表里的第一個值）并把它存入“延遲”單元里。然后，檢查這個單元的內(nèi)容是不是零。如果是零，表示已經(jīng)走到了這個表的末尾；不是零則“指針”加一，指向表內(nèi)的下一個數(shù)。最后，控制程序返回主程序。
主程序繼續(xù)執(zhí)行直到發(fā)生下次時鐘中斷，它使處理機返回到電機控制子程序的“入口”�！舆t”單元里的數(shù)減一并且與零比較。如果不為零，則控制立即返回主程序；如果“延遲”單元已達到零，則把下一步命令送到激磁時序控制器，并且往“延遲”單元裝入查閱表里的下一個位。因此，步進命令之間的時間與恒定的時鐘周期及查閱表中的數(shù)值成正比。例如：第一步命令發(fā)出之后，“延遲”單元裝入“30”，于是，“延遲”單元減到零之前將產(chǎn)生30次時鐘中斷。
查閱表中的數(shù)值是考慮以6步上升到最高步進頻率設(shè)置的，這個最高頻率是鐘頻的l／l0。減速從長延時數(shù)值（25）開始，這個時間對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置而進入產(chǎn)生減速所需要的負轉(zhuǎn)矩的位置。因為負載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的是負轉(zhuǎn)矩，所以，使電機減速只需要4步。最后，系統(tǒng)逐漸靜止，距離初始位置共14步。這時，程序檢測到“延遲”單元內(nèi)容為零并轉(zhuǎn)到“停止”。 考慮14步運動的”延遲”值取樣表該例中，走過的距離是固定的。不過，行程開始之前，程序可裝入不同的目標(biāo)位置。通過擴展查閱表和修改有關(guān)程序，能使步數(shù)增加。如果目標(biāo)離初始位置少于14步，這時，可以刪去查閱表里適當(dāng)?shù)奈�，使頻率降低，步數(shù)減少。
（2）以硬件定時 如果加速系統(tǒng)需要執(zhí)行的步數(shù)比較少，那么，相激磁定時可以用數(shù)字集成電路產(chǎn)生。例如，在圖5 （a）小，精確的前三步定時由持續(xù)時間可變的延時時序電路產(chǎn)生，用它把電機加速到由系統(tǒng)鐘頻確定的步進頻率。當(dāng)接近目標(biāo)位值時，利用后面的延時時序電路使電機減速。
系統(tǒng)最初靜止，啟動脈沖加到 “啟動”輸入端后，經(jīng)過一系列邏輯“或”門作用到相序發(fā)生器上，相序發(fā)處器發(fā)生的激磁變化啟動電機加速。啟動脈沖同時觸發(fā)第一級延時電路，把這個脈沖延遲T1時間，在這期間，電機運動到第—次相轉(zhuǎn)換位置。經(jīng)過T1延時后，第一級的脈沖輸出送到相序發(fā)生器并觸發(fā)下級延時電路。這種時序一直繼續(xù)到所有延時電路都工作完。最末一級延時的輸出用來啟動恒頻時鐘，以恒頻時鐘生以后的步進命令，定時波形如圖5（b）所示。
因為事先把目標(biāo)位置送入了減法計數(shù)器。以后每執(zhí)行一次，計數(shù)器就減一。因此，這個計數(shù)器記錄著到達目標(biāo)位置之前需要發(fā)出的步進命令數(shù)。當(dāng)還需要執(zhí)行的步數(shù)等于減速延時電路數(shù)時，減法計數(shù)器產(chǎn)生一個脈沖， 關(guān)斷時鐘并觸發(fā)第一級減速電路延時T1，。到達目標(biāo)位置之前的最后幾步的減速控制由三級持續(xù)時間可變的延時T1，、T2，、T3，產(chǎn)生，它們順序觸發(fā)，產(chǎn)生送到相序發(fā)生器的步進命令。減速以長激磁周期（T1，）開始，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置和產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩。 如果系統(tǒng)的最大工作速度接近失步頻率，那末，也許需要20到50級延時，這時成本很高。通常，硬件定時僅用在工作速度比正常的啟停頻率高得不太多的場合。在這些應(yīng)用中，延時時間能夠用靜轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)子位置特性曲線成功地預(yù)測。 |
