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3.3.4步进电机的控制
由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。较简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成，即采用硬件的方式。但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，灵活性较差。以微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法能使系统的功能大大增强，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。
以步进电动机作为执行元件的数字控制系统有开环和闭环两种形式。 （1）开环控制 步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、精确定位，且无积累误差。这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。
步进电机的开环控制系统，由控制器（包括变频信号源）、脉冲分配器、驱动电路及步进电动机四部分组成如图3-5所示。开环控制系统的精度主要取决于步距角的精度和负载状况。
图3-5 步进电动机开环控制原理框图
开环控制常常采用加减定位控制方式。因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环控制的脉冲指令频率，只有小于电机的最大启动频率，电机才能成功启动。若电动机的工作频率总是低于最高启动频率，当然不会失步，但没有充分发挥电机的潜力，工作速度太低。为此，常用加减速定位控制。电机开始以低于最高启动频率的某一频率启动，然后再逐步提高频率，使电机逐步加速，到达最高运行频率，电机高速转动。在到达终点前，降频使电机减速。这样就可以既快又稳地准确定位，如图3-6所示。由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大，所以负载的加减速控制不能像普通电机那样。为了实现加减速的最佳控制，往往是分段设计加速转矩和加速时间，采用微机控制来实现。
由于开环控制系统不需要反馈元件，结构比较简单、工作可靠、成本低。因而在数字控制系统中得到广泛的应用。
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图3-6 加减速定位过程
（2）闭环控制系统
在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统如图3-7所示。与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，不仅可防止失步，还能够消除位置误差提，高系统的精度。
闭环控制系统的精度与步进电动机有关，但主要是取决于位置传感器的精度。在数字位置随动系统中，为了提高系统的工作速度和稳定性，还有速度反馈内环。
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图3-7 步进电动机闭环系统原理框图
3.3.5步进电机的特点
（1）位移与输入脉冲信号的信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统。
（2）速度可以在相当宽的范围内平滑调节。
（3）易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性能好。 （4）具有自锁的能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组 继续通电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上。所以步进电机具有带电自锁能力。
（5）步距角选择的范围大，可以在几十角分至180°范围内进行选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。
（6）电动机本身没有电刷、转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。
3.3.6步进电机驱动系统的基本组成
与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图3-8所示。
图 3-8 驱动系统示意图
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3.3.7步进电机的选择计算
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Tl、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为： 移动部分总重 M?25kg
gc m外力 Fa?4k?磨擦系数 ??0.0 4螺栓机构的效率 ??0.9 螺栓轴径 DB?1.2 cm螺栓长 LB?42cm 螺距 P?3mm
1m分辨率 L?0.0m mm5/步 移动距离 ??0.007速度 V?2m/mi n
计算：
设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机 速比(设使用直接驱动方式)
i?m??b/(360?L)?2?1.8/(360?0.01)?1 轴向力
F?Fa??M?4?0.4?25?5kg?cm 负载转矩
Tl?F?P/(2??)?(?0?F0?P)/2?
?5?0.3/(2?3.14?0.9)?(0.3?1.67?0.3)/(2?3.14) ?0.289kg?cm 螺栓的惯量
4JB?(????LB?DB)/32
?(3.14?7.9?10?3?42?1.24)/32 ?0.0675kg?cm2 移动体的惯量 Jt?M?(P/2?)2 ?25?(0.3/6028)2 ?0.0571kg?cm2 负载惯量为 JL?JB?Jt
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