推荐一款可编程的步进电机驱动器

编码器的功能不仅仅在于检验电机运动效果，防止电机“失步”，更重要的是保证定位准确 （精确度由控制软件决定），实时反映电机的实际运动情况。
闭环控制系统能够对电机负载的变化及时反应，在典型的惯性负载下也能够获得最佳效果，更 不用说它的内置控制软件的卓越性能。采用闭环控制，可以避免步进电机开环控制或无刷电机往往
第4页
改善电机电流，电机不失步 系统性能的提高也包括电机绕组中电流的改善：闭环控制时，如果电机达到了指定的速度，在
保持该速度时，电机绕组中的电流与加速过程相比，大大缩减。 下图表明，采用与开环控制时同样的运动参数，同样的电机，在闭环控制时，电机绕组中需要
的相电流大大减小，而动态性能却大大改善。
Corrente nelle fasi motore (A)
特别值得一提的是步进电机闭环控制系统的成本与开环控制差别不大，并且远远低于同等功率 的伺服驱动系统。
机械电子技术设计 随着市场发展，用户不仅要求机械设备的生产能力强，功能灵活，同时还要求最终产品质量优
异。同时，近几年来，生产设备越来越精密，要求运动控制与机械性能有机结合，形成真正的机械 电子系统。
全数字型驱动器 爱维电子有限公司新推出的运动控制解决方案：步进电机闭环控制系统，正是为了达到这样的
步进电机闭环控制 这里介绍的运动控制系统 中的步进电机带有一个编码器， 编码器的精度取决于控制软件的要
求。由于控制软件中的运算方式非常精密，即使采用比较便宜的低精度的编码器（500 脉冲/转）， 也能够得到很好的性能。而无刷直流电机在模仿步进电机功能时，却需要昂贵的高精度编码器。
位置反馈
闭环控制
位置
0
900
ω n(t)
1350
1800
−
VMR PAR
⋅
60⋅
1.5
2250
0
TC ⋅0
2
7718.4 1.54 .104 2.32 .104 3.09 .104 3.86 .104 4.63 .104 5.4 .104 t
TIME IN MICROSECONDS
6.17 .104 6.95 .104 7.72 .104 TC ⋅2 2
450 ωerr ( t) ⋅ 12⋅ 1
0
900
ωn ( t)
1350
1800
−
VMR⋅60⋅1.5
PAR

2250
0
TC ⋅0
2
7699.2 1.54 .104 2.31.104 3.08 .104 3.85.104 4.62 .104 5.39.104 6.16 .104 6.93.104 t
电机相电流 IF 在位置跟踪过程中通过以下公式得到改善: IF = Kp * eθ + Kd * deθ / dt + Kf * d2eθ / dt2 ，其中，eθ表示实时的位置误差，deθ/dt = ? R-? 表示实时速度误差，每 100µs 系统就会对 以上误差值更新一次，这样使得驱动器在速度位置跟踪过程中及时而准确。而无刷电机伺服控制系 统对以上误差值的更新速度一般在 250us。
从前面的开环控制电机的运动曲线可以看出来，如果电机加速和减速过程中需要的电流为 8 Arms，正常运行时需要的电流为 7Arms，电机相电流平均值为 A 相 Irmsa = 4.202 Arms，B 相 Irmsb = 4.261 Arms，电机的功率和温度变化如下：
吸收功率 = 31.268 瓦 机械功率 = 11.47 瓦 损失功率 = 19.798 瓦 电机温度变化 = 39.596 °C
Cb⋅ 1.4
7 6.3
5.6
0
4.9
4.2rif(t) ⋅0
2.1 1.4
Ia_avv( t)⋅ 1
0.7 0
Ib_avv( t)⋅ 0
0.7 1.4
2.1
Ia_avv(t) 2+ Ib_avv(t)2 2.8 ⋅ 1 3.5
2
4.2
4.9
5.6
− Cb⋅ 1.4
5.6 4.48
Ib_rif(t) ⋅0
3.36 2.24
Ia_avv( t)⋅ 1
1.12 0
Ib_avv( t)⋅ 0
1.12 2.24
3.36
Ia_avv(t) 2+ Ib_avv( t)2 4.48
⋅ 1 5.6
2
6.72
7.84 8.96
−
Cb⋅1.4
10.08 11.2
0
TC ⋅0 2
3849.6
Dw/dt = (Tm – TR) / J
很明显，电机驱动转矩 Tm 总是大于电机负载转 TR，总是存在一个转矩差 Tr，电机的速度注定 会持续波动。在开环情况下，转矩和电流的关系如下：Tm = Ke x IF 。为了保证电机的安全位置，必 须保证电机足够的相电流 IF 以保证驱动转矩 Tm ，使电机不至因为负载变化而卡住，
准确性和稳定性 闭环控制系统能够准确跟踪理论速度曲线，并且速度稳定，能够避免速度的波动和速度跟踪时
的误差。系统对负载惯性的变化表现稳定，能够消除转矩干扰，比如突然增加的转矩消耗。更值得 一提的是，即使出现系统不允许的负载情况 (负载参数超过系统应用环境预定值)，系统能够自动适 应电机工作条件，保证不失步，并自动调整以适应运动跟踪。下图是典型的闭环控制系统的速度曲 线，很明显，与前面开环控制相比，在同样的工作条件下（速度、加速度和惯性力），性能具有决 定意义上的改善。
智能型步进电机全数字闭环控制技术
综述 虽然目前广泛使用的是步进电机开环控制系统，其闭环控制系统的推广应用却是发展趋势。采
用 EVER 全数字型步进电机闭环系统的优越性能表明，闭环控制能够使电机快速达到需要的速度和 位置，并迅速进入稳定状态，即使是在负载较重地情况下，例如直接驱动电机达到 2000 rpm 的速 度，也能实现，这对直流无刷电机驱动来讲也是有一定困难的。虽然从结构上来讲，步进电机是定 位控制最合适的执行元件，但是在采用闭环控制系统以后，它完全能够胜任非常精确的速度控制。
1 .104 1600
1.32.104
2.48.104
3.64.104
− FMR⋅ 1.2 4.8 .104
0 0
7699.2 1.54.104 2.31.104 3.08.104 3.85.104 4.62.104 5.39.104 6.16.104 6.93.104 7.7 .104
t
TC
(1) TIME IN MICROSECONDS
伺服驱动器在控制电机位置时，位置跟踪的准确性同时取决于电机速度的稳定性。如果电机的 速度没有稳定在指定的速度值，速度越快，位置误差就会越大。由此可见，快速调节速度稳定的重 要性，这正是 EVER 全数字驱动器的优势之一。
由于在任何负载条件下，采用闭环控制，电机都能够保持同步，电机的加速度比开环控制能够 有很大提高，同时能够充分利用电机的转矩特性，加强电机的动态性能，使电机在负载转矩持续波 动的情况下，也能够保持电机的稳定运行。
7699.2
1.15 .104
1.54 .104 1.92 .104 2.31.104 t
TIME IN MICROSECONDS
2.69 .104
3.08 .104
3.46 .104
3.85 .104 TC ⋅1 2
第3页
采用 EVER 全数字式闭环控制的步进电机性能 步进电机全数字式闭环控制和开环控制在性能上得差别主要表现在以下几个方面： • 定位的准确性 • 速度的稳定性 • 电机相电流优化控制 • 不失步 • 能耗降低 • 电机发热降低
通过通讯接口，用户可以设置闭环控制系统的有关参数，驱动器的有关参数以及 EVER 驱动器 内置控制软件的有关参数。
VELOCITY (Hz)
FMR⋅ 1.7
6.8 .104 5.64.104
4.48.104
3.32.104
Fpasso(t)⋅ 0
2.16.104
Fpasso_filte(rt)⋅ 1
在闭环控制系统电机电流曲线图中，假设电机加速和减速所需要的最大电流为 5 Arms，匀速运 动时需要的电流为 0 Arms，绕组中相电流平均值为 A 相 Irmsa= 2.218Arms ，B 相 Irmsb= 2.239 Arms ，电机功率和温升如下：
吸收功率 = 19.132 瓦 机械功率 = 11.47 瓦 损失功率 = 7.662 瓦 电机温度变化 = 15.324 °C
通过闭环控制还可以避免因步进电机的结构所造成的共振现象，通过选择正确的励磁方式来避 免电机转子的震动。在这样的基础上，再加上高精度的细分驱动，电机可以达到 25600 微步/转。
闭环控制系统非常灵活，用户可以根据需要选择电机以平缓的方式（低震动）或快速的方式 （高精度）达到某一位置。
闭环控制的所有调节功能均通过串行接口 RS232/485 或现场总线 CANbus 来进行，各驱动器的 型号不同，通信接口有所不同。
VMR ⋅60⋅1.5 2250 PAR
1800
VELOCITY (rpm)
ω ( t)⋅ 1
1350
ω rif (t)
900
(ω rif(t)− ω (t))⋅2 π ⋅ 50 60 450
α erins_medio( t)⋅ 1
0
1
dα erins( t)⋅ 50⋅
76
450
ω err(t) ⋅50⋅1
6.3 7
0
3859.2
TC ⋅0
2
7718.4
1.16 .104 1.54 .104 1.93 .104 2.32 .104 t
TIME IN MICROSECONDS
2.7 .104
3.09 .104 3.47 .104