系統(tǒng)設計時首先考慮穩(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動電路。完成了這種選擇之后，接下來應考慮怎樣對電機和驅動電路進行控制，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，常用于簡易的經濟型數(shù)控機床改造等技術中。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生，也可以用某種形式的時序電路產生。不管這種信號怎樣產生，設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用場合中，定時必須以最壞（即最大負載）情況進行設定。當然，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），電機在達到目標位置之前都以這個頻率轉動。相控制信號由時序發(fā)生器產生，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”信號關斷這個時鐘，使電機停轉。轉動方向一開始就送到相時序發(fā)生器，因此，它產生的相控制信號能以合適的方向運轉電機。目標位置送入減法計數(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的瞬時位置。
負載達到目標位置時，減法計數(shù)器的內容成為零。時鐘的“停止”信號利用這個零產生。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)控制信號突然關斷，而電機不沖過目標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，時鐘必須調整在兩者之中較低的那個頻率上，以此確保可靠的啟動和停止。
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短／轉子位置特性來分析。
分析結果得知：
（1）如果電機的轉矩（TM）增大或負載轉矩（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．由于零部件磨損，將影響負載轉矩。為了允許負載轉矩略為變化，恒頻鐘應比求得的啟動頻率略低，且可調。為了確保系統(tǒng)在工作速度情況下對機械諧振不敏感，還應考慮失步轉矩／頻率特性。如果算得啟動頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應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，因為負載轉矩幫助系統(tǒng)制動；而且，電機產生的減速轉矩比 （a）速度曲線；（b）對應的位置／時間響應曲線加速轉矩大。
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，常常可以把微處理機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）以微處理機產生定時 微處理機很容易產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。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，檢查這個單元的內容是不是零。如果是零，表示已經走到了這個表的末尾；不是零則“指針”加一，指向表內的下一個數(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”。‘延遲”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，這個時間對應轉子轉過平衡位置而進入產生減速所需要的負轉矩的位置。因為負載轉矩產生的是負轉矩，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”單元內容為零并轉到“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位置。通過擴展查閱表和修改有關程序，能使步數(shù)增加。如果目標離初始位置少于14步，這時，可以刪去查閱表里適當?shù)奈唬诡l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生，用它把電機加速到由系統(tǒng)鐘頻確定的步進頻率。當接近目標位值時，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—次相轉換位置。經過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)器記錄著到達目標位置之前需要發(fā)出的步進命令數(shù)。當還需要執(zhí)行的步數(shù)等于減速延時電路數(shù)時，減法計數(shù)器產生一個脈沖， 關斷時鐘并觸發(fā)第一級減速電路延時T1，。到達目標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，產生，它們順序觸發(fā)，產生送到相序發(fā)生器的步進命令。減速以長激磁周期（T1，）開始，讓轉子轉過平衡位置和產生負轉矩。 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。在這些應用中，延時時間能夠用靜轉矩／轉子位置特性曲線成功地預測。 |
