步进电机控制策略研究
潘 健，刘梦薇
【摘 要】步进电机控制策略研究的主要目的是为了提高步进电机系统精度和可靠性。随着对步进电机控制系统的精度要求越来越高，早期的控制策略已经不能满足当前系统的需求。综述了步进电机系统中常用的PID控制、自适应控制、矢量控制、智能控制等控制策略，分析了各种控制策略的优缺点及其在步进电机系统中的应用，并对步进电机控制策略的发展趋势进行了展望。 【期刊名称】现代电子技术 【年(卷),期】2009(032)015 【总页数】3
【关键词】步进电机；控制策略；智能控制；PID控制
0 引 言
步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机[1]。它具有易于开环控制、无积累误差、动态响应快、低速大转矩等优点，在众多自动化控制系统中已经得到了广泛的应用。步进电机系统性能的优劣、运行品质的好坏与其驱动及控制密不可分[2]。
近年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，极大地推动着步进电机的发展，控制策略和控制电路的研究日益成为步进电机技术发展的重要问题[3]。因此，选择一种合适的控制策略，是发展高性能的步进电动机系统的关键。
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，其控制原理图如图1所示。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[4]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[5]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[5-8]。
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[9]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[10]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[11-14]。文献[11]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[12]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[15]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，
步进电机控制策略研究
