步进电机伺服控制(步进电机伺服控制的研究现状)

1. 步进电机伺服控制的研究现状

步进电机的控制策略：

1、PID控制

PID控制作为一种简单而实用的控制方法,在步进电机驱动中获得了广泛的应用。它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t),将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。文献将集成位置传感器用于二相混合式步进电机中,以位置检测器和矢量控制为基础,设计出了一个可自动调节的PI速度控制器,此控制器在变工况的条件下能提供令人满意的瞬态特性。文献根据步进电机的数学模型,设计了步进电机的PID控制系统,采用PID控制算法得到控制量,从而控制电机向指定位置运动。最后,通过仿真验证了该控制具有较好的动态响应特性。采用PID控制器具有结构简单、鲁棒性强、可靠性高等优点,但是它无法有效应对系统中的不确定信息。

目前,PID控制更多的是与其他控制策略相结合,形成带有智能的新型复合控制。这种智能复合型控制具有自学习、自适应、自组织的能力,能够自动辨识被控过程参数,自动整定控制参数,适应被控过程参数的变化,同时又具有常规PID控制器的特点。

2、自适应控制

自适应控制是在20世纪50年代发展起来的自动控制领域的一个分支。它是随着控制对象的复杂化,当动态特性不可知或发生不可预测的变化时,为得到高性能的控制器而产生的。其主要优点是容易实现和自适应速度快,能有效地克服电机模型参数的缓慢变化所引起的影响,是输出信号跟踪参考信号。文献研究者根据步进电机的线性或近似线性模型推导出了全局稳定的自适应控制算法,这些控制算法都严重依赖于电机模型参数。文献将闭环反馈控制与自适应控制结合来检测转子的位置和速度,通过反馈和自适应处理,按照优化的升降运行曲线,自动地发出驱动的脉冲串,提高了电机的拖动力矩特性,同时使电机获得更精确的位置控制和较高较平稳的转速。

目前,很多学者将自适应控制与其他控制方法相结合,以解决单纯自适应控制的不足。文献设计的鲁棒自适应低速伺服控制器,确保了转动脉矩的最大化补偿及伺服系统低速高精度的跟踪控制性能。文献实现的自适应模糊PID控制器可以根据输入误差和误差变化率的变化,通过模糊推理在线调整PID参数,实现对步进电机的自适应控制,从而有效地提高系统的响应时间、计算精度和抗干扰性。

3、矢量控制

矢量控制是现代电机高性能控制的理论基础,可以改善电机的转矩控制性能。它通过磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量分别加以控制,从而获得良好的解耦特性,因此,矢量控制既需要控制定子电流的幅值,又需要控制电流的相位。由于步进电机不仅存在主电磁转矩,还有由于双凸结构产生的磁阻转矩,且内部磁场结构复杂,非线性较一般电机严重得多,所以它的矢量控制也较为复杂。文献[8]推导出了二相混合式步进电机d-q轴数学模型,以转子永磁磁链为定向坐标系,令直轴电流id=0,电动机电磁转矩与iq成正比,用PC机实现了矢量控制系统。系统中使用传感器检测电机的绕组电流和转自位置,用PWM方式控制电机绕组电流。文献推导出基于磁网络的二相混合式步进电机模型,给出了其矢量控制位置伺服系统的结构,采用神经网络模型参考自适应控制策略对系统中的不确定因素进行实时补偿,通过最大转矩/电流矢量控制实现电机的高效控制。

4、智能控制的应用

智能控制不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制,在控制中有能力考虑系统的不确定性和精确性,突破了传统控制必须基于数学模型的框架。目前,智能控制在步进电机系统中应用较为成熟的是模糊逻辑控制、神经网络和智能控制的集成。

4.1模糊控制

模糊控制就是在被控制对象的模糊模型的基础上,运用模糊控制器的近似推理等手段,实现系统控制的方法。作为一种直接模拟人类思维结果的控制方式,模糊控制已广泛应用于工业控制领域。与常规控制相比,模糊控制无须精确的数学模型,具有较强的鲁棒性、自适应性,因此适用于非线性、时变、时滞系统的控制。文献[16]给出了模糊控制在二相混合式步进电机速度控制中应用实例。系统为超前角控制,设计无需数学模型,速度响应时间短。

4.2神经网络控制

神经网络是利用大量的神经元按一定的拓扑结构和学习调整的方法。它可以充分逼近任意复杂的非线性系统,能够学习和自适应未知或不确定的系统,具有很强的鲁棒性和容错性,因而在步进电机系统中得到了广泛的应用。文献将神经网络用于实现步进电机最佳细分电流,在学习中使用Bayes正则化算法,使用权值调整技术避免多层前向神经网络陷入局部极小点,有效解决了等步距角细分问题。

2. 步进电机与伺服

步进电机和伺服电机二者都是控制电机，都能精确控制速度。

3. 步进电机和伺服电机控制精度

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机安设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到高速的目的。 伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功能，它每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，步进电机是开环控制。 步进电机和伺服电机的区别在于：

1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。

2、控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。

3、低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。

4、矩频特性不同；步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出，5、过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。6、运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同；步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但是价格比就不一样了。

4. 步进电机伺服控制的研究现状是什么

一、伺服电机本身和步进电机结构类似，是不具备发送脉冲功能的，但由于有伺服电机上有配备编码器，所以有脉冲反馈回来，通过伺服驱动器的反馈脉冲，可以与系统之间实现半闭环架构，但的确需要全闭环控制的时候，是需要在最终的传动装置，比如丝杆或移动平台等 上面安装编码器或光栅，如果是那种情况的话，伺服和步进都是可以的，只是伺服不存在堵转和失步的现象，控制更简洁，但成本相对要高，可依实际情况选择， 二、如今的智能型步进控制系统，步进电机上也是有安装编码器，内部控制方式也是和伺服功能接近了，也不存在堵转和失步的现象； 三、伺服电机具备高响应和高速性及高精度的优点，真正地“三高”。但是，伺服电机也有它不可避免的如下缺陷： 1. 无法静止：由于采用闭环控制，伺服电机本身结构和电机的特性决定，伺服电机在停止时无法绝对静止，在负载扰动小或者伺服电机的参数调试良好的情况下，伺服电机始终在正负1个脉冲之间波动（可以通过观察伺服驱动器上关于编码器位置的数值，它一直在正负1之间波动）。在图像处理场合这就是一个影响精度的因素。 2. 过冲：在由高速转为低速或者静止时，不可避免地要过冲一段距离，然后在纠正回来。当控制器发一个脉冲给伺服电机时，伺服电机往往不是走一个脉冲，而是走3个脉冲，然后在回退2个脉冲。这对那些需要一个脉冲一个脉冲运动的场合，绝对不允许过冲的场合时致命的。 3. 调试复杂：伺服驱动器内动辄上百个参数，使用说明书几百页，着实让新手发怵；更换一个品牌的伺服电机，也会让老手着实头痛。这也为售后服务和维修带来了大量的工作。 4. 低速蠕动：在低速时伺服电机的运行会出现蠕动或者称之为爬行。 四、一体化闭环步进电机就完美地解决伺服电机存在的问题。由于闭环步进电机不是简单的给步进电机配一个编码器了事，而是按照伺服电机系统的工作原理进行设计和开发。它采用32位的DSP做为主处理器，以保证整个系统的高响应和高速，可以做到每隔25微秒就可以调整一次电机的电流，标配10000个脉冲/圈的编码器，而且是金属码盘的编码器，既保证了精度，也保证了对环境、温度和振动的高适应性、稳定性和可靠性，甚至优于采用玻璃码盘编码器的伺服电机。 首先，一体化闭环步进电机由于是电机的本体是步进电机，在静止时是绝对静止不动的。 其次，一体化闭环步进电机由于结合了步进电机的特点和伺服的控制方式，所以不会过冲（因为步进电机的特点就是不会过冲）。 第三，调试和使用非常简单，只需要调节驱动器的3个电位器的位置，不仅设备制造商可以使用，而且设备使用商也可以使用，对使用者的要求极低。 第四，驱动器采用真正地正弦波、向量和滤波方式控制电流，最低转速可以控制在0.2转/分，而且电机运行非常平稳和稳定，这一点甚至是伺服电机都无法做到（一般伺服电机理论上可以做到1转/分，实际的应用场合是无法做到1转/分，大致在5rpm以上）。

5. 步进电动机伺服控制技术

伺服有很多种方式驱动。脉冲+方向，这是常用的。还有就是通过串口通讯写数据再通过MC点触发启动的。

就是伺服驱动器中有寄存器可以储存数据，PLC先把启动频率、加减速率、目标速率、目标脉冲等数据通过串口发过去。然后通过输出发执行信号给伺服，让伺服按照寄存器中的数据进行动作。

这种走通讯的方式可以用同一台PLC对多个伺服进行控制。

步进电机驱动器都是发脉冲的，多少个驱动器就多少个脉冲输出。

然后就是伺服电机的精度比步进电机高很多。

步进电机一般是360度一圈100个点，就是100个脉冲就一圈了。

伺服电机是成千上万个脉冲才一圈，精度可想而知，话题扯开了，回来。。。

伺服驱动器没有你想象中的那么好用，很多数据要处理，伺服也要校正和调参数。

步进电机驱动器就是接接线发脉冲就好了，没什么参数要调，最多就是调一下速率。

6. 步进电机伺服控制系统与仿真

用个带脉冲输出的PLC就行，带运动控制命令的PLC更好。如果要做闭环的话还需要在你要检测位置的那个轴上装编码器，有的时候步进电机的输出轴并不一定就是你最后所需要精确定位的轴。编码器一定要装到需要定位的那个轴上。其他就是PLC里程序的任务了，设定好输出多少个脉冲，然后跟编码器上检测到的脉冲比较，程序里设定好如何补偿就行了。

运动控制器其实就是个建议的频率发生器，一般就用来做简单运动控制的，如果PLC有足够的频率输出端口，就没必要再加一个运动控制器了。

步进电机本身就可以根据脉冲来准确定位，所以如果系统要求不是很严格的话，可以在几个重要的位置放置几个接近开关或者行程开关，用来检测电机是否正常工作。这样要比用编码器反馈简单一些。

7. 步进伺服电动机的特点

无需编码器等反馈器件即可实现转速与转角（即位置）的控制（即开环控制），这是步进电机最大的特点。脉冲的频率决定电机的转速，而脉冲的个数决定电机的转角。同比直流伺服系统，步进电机具如下优势：

1、锁定位置时，电机不再耗电：步进电机特有的“静转矩”（又称“保持转矩”、“定位转矩”等），当电机停在某位置时，具有一定的锁定转矩。直流电机虽然也可通过驱动器锁定位置，但锁定时电机依然耗电；

2、体积小、寿命长：步进电机的寿命通常取决于轴承寿命，可达上万至数万小时，与等同尺寸的直流电机相比，步进电机的输出转矩更大。

3、成本低廉、驱动简单：由于是开环控制，省却了编码器等反馈器件，所以既简化了系统组成，又能有效降低成本。

但步进电机的旋转是一个高速重复的“启—停—启—停”过程，所以转动平滑性不如直流电机。步进电机还有一个谐振频率，当电机在某转速区间工作时，驱动的脉冲可能产生谐振而让电机抖动。另外，一旦发生某一脉冲未能驱动电机（俗称“丢步”，可能因干扰信号等而出现）时，开环系统无法检测和补偿。该问题虽然可以通过加装编码器等来解决，但这将导致成本上升，并且需要更复杂的驱动电路。