电气控制中步进伺服系统的控制及应用前景

一、引言

过去的电气控制技术主要以低压继电触器为主，控制方便简单，但很难大范围深度地使用。目前，先进的电气控制技术主要有现场总线技术、伺服系统技术、人机界面技术、PLC控制技术等，控制方式及其系统有PLC控制系统、自动控制系统、DCS集散系统、FCS现场总线控制系统等。其中伺服系统是自动控制系统中的一类，它是伴随控制论、微电子、和电力电子等技术应用而发展起来的，最早出现于20世纪。近十几年，新技术革命使伺服系统及其技术突飞猛进，其应用几乎遍及社会各个领域，所以其重要性不言自明。

二、步进伺服系统

电气控制中伺服系统有速度伺服控制和位置伺服控制，可以有交流伺服、直流伺服、步进伺服、液压伺服、气压伺服等。采用步进电机控制的伺服系统称为步进伺服系统，是一种将电脉冲信号转换成角位移的系统。可在宽广的范围内调速。特别适合于开环控制。又因步进电动机输出轴的角位移与输入脉冲成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关，当它转一周后，没有积累误差，具有良好的跟随性，因此步进伺服系统具有很好的实用性。

（一）步进伺服系统的组成

步进伺服系统主要由指令脉冲信号、步进电动机驱动电路、步进电机、步进电机扭矩放大器、执行机构、反馈环节等组成。

（二）步进伺服系统的分类及基本特征

没有反馈环节的部分叫做开环控制，因为其没有位置和速度反馈回路，因此省去了检测装置，系统简单可靠，具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合得到了广泛的应用，并适合于发展功能简化的经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化技术改造。

在整个控制环节里，有部分反馈环节的伺服控制系统称为半闭环伺服系统；如果角度、位置和速度反馈形成封闭的系统，就称为闭环控制伺服系统，闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和更高更平稳的转速，从而提高步进电机的性能指标，可以具有更大的通用性。其控制方案主要有核步法、延迟时间法、用位置传感器等。

三、步进伺服系统的控制

（一）步进伺服系统的控制元件

步进伺服系统的控制元件为步进电动机，工作时，步进电动机的控制绕组受电脉冲信号控制，靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。

步进电机主要分为转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电机，用永久磁铁做转子的“永磁式”步进电机，感应子式步进的混合式步进电机，目前反应式步进电机用得最多。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。

其通电方式有“拍”、“单”、“双”，其中相数、拍数、步距角为其主要参数。

步进电机动态特性主要有步距角精度，失步，失调角，最大空载起动频率，最大空载的运行频率，运行矩频特性。矩频特性是电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

（二）步进伺服系统的控制原理

步进伺服系统主要分为开环、半闭环、闭环控制系统，其控制基本要求为：精度高（0.01―0.001mm)，响应快（小的跟踪误差），调速范围宽（1：100，1：1000），低速大转距(电机可以直接连丝杠)，较强的过载能力(数分钟内,电枢电流大于额定值4―6倍)，能频繁起停，正反向运动。步进伺服系统控制的驱动电源包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器是按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电，它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，目前有硬件环形分配器和软件环形分配器。其通电顺序为AB-B-ABC-C-BC-A.

功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，由于从环形分配器输出的电流只有几个毫安，而一般步进电机的励磁电流需要几安到几十安，因此需要功率放大器进行功率放大和电流放大。功率放大器的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。关键是要提高电动机的快速性和平稳性。目前国内使用的步进电机的驱动电路主要有单电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路、调频调压功放电路。其中斩波型功放电路克服了电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路谷点现象，得到广泛应用。

四、步进伺服系统的应用及其发展前景

因为步进伺服系统具有快速起停、精确步进以及能直接接受数字量等特点，其在各种应用场合得到广泛应用。例如军事上，雷达天线的自动瞄准跟踪控制，冶金行业，运输行业绘图机、打印机及光学仪器等，在工业工程控制的位置控制系统中PLC应用，在机械制造行业中，应用最多最广泛，如各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制等。未来随着工业以太、现场总线技、先进控制技术的PCS的发展将向着通信自动化、智能化、电子化快速发展。

五、结语

电气控制中伺服系统在现在社会技术发展中的重要作用促使其快速发展和应用，其中以步进电机为控制元件的步进伺服系统更在各种位置和速度控制中体现了其重要性，通过本文的介绍，可以比较清楚地了解和认识到步进伺服系统的组成及其特征还有其控制原理等方面的知识，可以为这方面的研究提供一定的参考和指导作用。

参考文献：

[1]敖荣庆，袁坤．伺服系统[M]．航天工业出版社，2006.