系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)頻率選擇步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。完成了這種選擇之后，接下來應(yīng)考慮怎樣對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)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(jiǎn)單因而成本低等優(yōu)點(diǎn)，常用于簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造等技術(shù)中。圖1是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。相控制信號(hào)可以由微處理機(jī)產(chǎn)生，也可以用某種形式的時(shí)序電路產(chǎn)生。不管這種信號(hào)怎樣產(chǎn)生，設(shè)計(jì)者都需要知道它在定時(shí)上有些什么限制。例如特定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最高步進(jìn)頻率；又如電機(jī)加速負(fù)載慣量的時(shí)間等。

開環(huán)控制方案中，負(fù)載位置對(duì)控制電路沒有反饋，因此，步進(jìn)電機(jī)必須正確地響應(yīng)每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機(jī)不能夠移動(dòng)到新的要求的位置，那么，實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。如果負(fù)載參數(shù)基本上不隨時(shí)間變化，則相控制信號(hào)的定時(shí)比較簡(jiǎn)單。但是，在負(fù)載可能變化的應(yīng)用場(chǎng)合中，定時(shí)必須以最壞（即最大負(fù)載）情況進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)然，這樣確定的控制方案對(duì)所有其他負(fù)載并非最佳。

1、啟停頻率

最簡(jiǎn)單的開環(huán)控制方式是步進(jìn)頻率恒定的那種控制方式（圖2），電機(jī)在達(dá)到目標(biāo)位置之前都以這個(gè)頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。相控制信號(hào)由時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生，時(shí)序發(fā)生器由來自恒頻時(shí)鐘的步進(jìn)命令脈沖觸發(fā)?！皢?dòng)”信號(hào)接通這個(gè)時(shí)鐘，使電機(jī)以等于鐘頻的步進(jìn)頻率運(yùn)行；“停止”信號(hào)關(guān)斷這個(gè)時(shí)鐘，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)方向一開始就送到相時(shí)序發(fā)生器，因此，它產(chǎn)生的相控制信號(hào)能以合適的方向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)。目標(biāo)位置送入減法計(jì)數(shù)器，并以這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄執(zhí)行的步致。時(shí)鐘脈沖同時(shí)送給相時(shí)序發(fā)生器和減法計(jì)數(shù)器。于是，相激勵(lì)以恒定的鐘頻變化，減法計(jì)數(shù)器記錄電機(jī)相對(duì)目標(biāo)的瞬時(shí)位置。

負(fù)載達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，減法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容成為零。時(shí)鐘的“停止”信號(hào)利用這個(gè)零產(chǎn)生。如果恒定鐘統(tǒng)頻率太高，電機(jī)不能把負(fù)載慣量加速到對(duì)應(yīng)的步進(jìn)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(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率叫做“啟動(dòng)頻率”。與此類似，“停止頻率”是系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，而電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。對(duì)任何電機(jī)-負(fù)載組合來講，啟動(dòng)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(jìn)頻率降低，但有助于減速，因此，提高了停止頻率。不過，在簡(jiǎn)單的恒頻系統(tǒng)里，時(shí)鐘必須調(diào)整在兩者之中較低的那個(gè)頻率上，以此確?？煽康膯?dòng)和停止。

電機(jī)從靜止開始加速時(shí)，步進(jìn)頻率很低；每相激磁周期比相電路的電氣時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)得多。在這種情況下，系統(tǒng)性能能夠用電機(jī)的靜轉(zhuǎn)短／轉(zhuǎn)子位置特性來分析。

分析結(jié)果得知：

（1）如果電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（TM）增大或負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）減小，則能提高啟動(dòng)額率；（2）減少系統(tǒng)慣量（電機(jī)慣量+負(fù)載慣量）也能提高啟動(dòng)頻率。

在系統(tǒng)工作壽命內(nèi)．由于零部件磨損，將影響負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為了允許負(fù)載轉(zhuǎn)矩略為變化，恒頻鐘應(yīng)比求得的啟動(dòng)頻率略低，且可調(diào)。為了確保系統(tǒng)在工作速度情況下對(duì)機(jī)械諧振不敏感，還應(yīng)考慮失步轉(zhuǎn)矩／頻率特性。如果算得啟動(dòng)頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應(yīng)改用較低頻率的時(shí)鐘，或者通過增加阻尼降低諧振影響。實(shí)際工作中，啟動(dòng)頻率也常常通過試驗(yàn)求得。

2、加速和減速工作

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率比它的最高運(yùn)行頻率低得多，因此，為了減少定位時(shí)間，常常通過加速使電機(jī)在接近最高的速度下運(yùn)行。隨著目標(biāo)位置的逼近，為使電機(jī)平穩(wěn)地停下來，重新使步進(jìn)頻率逐漸降低到啟停電機(jī)頻率。從初始位置往目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中，步進(jìn)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?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩幫助系統(tǒng)制動(dòng)；而且，電機(jī)產(chǎn)生的減速轉(zhuǎn)矩比 （a）速度曲線；（b）對(duì)應(yīng)的位置／時(shí)間響應(yīng)曲線加速轉(zhuǎn)矩大。

3、開環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)

對(duì)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(shí)現(xiàn)的費(fèi)用高。設(shè)計(jì)者也許會(huì)用比較簡(jiǎn)單的線性斜坡來折衷，因?yàn)檫@種斜坡能以很低成本實(shí)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(jià)制成的芯片得到各種各樣的電路功能，因此，估計(jì)以微處理機(jī)控制的潛在優(yōu)點(diǎn)成為很現(xiàn)實(shí)的問題。在微機(jī)控制的系統(tǒng)中，常常可以把微處理機(jī)的富裕處理能力用來控制步進(jìn)電機(jī)。這時(shí)，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(dú)立的硬件控制器的價(jià)格。

（1）以微處理機(jī)產(chǎn)生定時(shí) 微處理機(jī)很容易產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所要求的數(shù)字信號(hào)。開環(huán)控制中，即使負(fù)載很輕，步進(jìn)電機(jī)也很少以大于10000步／秒的速度工作，因此，只要求微處理機(jī)每0.1毫秒發(fā)一次步進(jìn)命令。而每次發(fā)送步進(jìn)命令所需要的程序執(zhí)行時(shí)間比0.1毫秒小很多，所以，微處理機(jī)完全有多余能力執(zhí)行別的任務(wù)。使用中斷子程序控制電機(jī)能使處理能力得到充分利用。

在這個(gè)實(shí)例中，電機(jī)的步數(shù)是固定的，步進(jìn)命令之間的時(shí)間受從“TABLE”單元開始的查閱表里存儲(chǔ)數(shù)值的控制。程序以設(shè)寄存器“指針”等于“TABLE”開始，因此，“指針”里裝有查閱表中第一個(gè)值的地址。然后，把第一次步進(jìn)命令發(fā)給激磁時(shí)序控制器，用它改變電機(jī)里的相激磁。

在發(fā)下一次步進(jìn)命令之前必須進(jìn)行延時(shí)，使電機(jī)有時(shí)間執(zhí)行第一步。這時(shí)， 取出由指針尋址的延時(shí)數(shù)（第一次為查閱表里的第一個(gè)值）并把它存入“延遲”單元里。然后，檢查這個(gè)單元的內(nèi)容是不是零。如果是零，表示已經(jīng)走到了這個(gè)表的末尾；不是零則“指針”加一，指向表內(nèi)的下一個(gè)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(shí)鐘中斷，它使處理機(jī)返回到電機(jī)控制子程序的“入口”?！舆t”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(dá)到零，則把下一步命令送到激磁時(shí)序控制器，并且往“延遲”單元裝入查閱表里的下一個(gè)位。因此，步進(jìn)命令之間的時(shí)間與恒定的時(shí)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(chǎn)生30次時(shí)鐘中斷。

查閱表中的數(shù)值是考慮以6步上升到最高步進(jìn)頻率設(shè)置的，這個(gè)最高頻率是鐘頻的l／l0。減速?gòu)拈L(zhǎng)延時(shí)數(shù)值（25）開始，這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置而進(jìn)入產(chǎn)生減速所需要的負(fù)轉(zhuǎn)矩的位置。因?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的是負(fù)轉(zhuǎn)矩，所以，使電機(jī)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(shí)，程序檢測(cè)到“延遲”單元內(nèi)容為零并轉(zhuǎn)到“停止”。?考慮14步運(yùn)動(dòng)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(biāo)位置。通過擴(kuò)展查閱表和修改有關(guān)程序，能使步數(shù)增加。如果目標(biāo)離初始位置少于14步，這時(shí)，可以刪去查閱表里適當(dāng)?shù)奈?，使頻率降低，步數(shù)減少。

（2）以硬件定時(shí) 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(shí)可以用數(shù)字集成電路產(chǎn)生。例如，在圖5 （a）小，精確的前三步定時(shí)由持續(xù)時(shí)間可變的延時(shí)時(shí)序電路產(chǎn)生，用它把電機(jī)加速到由系統(tǒng)鐘頻確定的步進(jìn)頻率。當(dāng)接近目標(biāo)位值時(shí)，利用后面的延時(shí)時(shí)序電路使電機(jī)減速。

系統(tǒng)最初靜止，啟動(dòng)脈沖加到 “啟動(dòng)”輸入端后，經(jīng)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(dòng)電機(jī)加速。啟動(dòng)脈沖同時(shí)觸發(fā)第一級(jí)延時(shí)電路，把這個(gè)脈沖延遲T1時(shí)間，在這期間，電機(jī)運(yùn)動(dòng)到第—次相轉(zhuǎn)換位置。經(jīng)過T1延時(shí)后，第一級(jí)的脈沖輸出送到相序發(fā)生器并觸發(fā)下級(jí)延時(shí)電路。這種時(shí)序一直繼續(xù)到所有延時(shí)電路都工作完。最末一級(jí)延時(shí)的輸出用來啟動(dòng)恒頻時(shí)鐘，以恒頻時(shí)鐘生以后的步進(jìn)命令，定時(shí)波形如圖5（b）所示。

因?yàn)槭孪劝涯繕?biāo)位置送入了減法計(jì)數(shù)器。以后每執(zhí)行一次，計(jì)數(shù)器就減一。因此，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄著到達(dá)目標(biāo)位置之前需要發(fā)出的步進(jìn)命令數(shù)。當(dāng)還需要執(zhí)行的步數(shù)等于減速延時(shí)電路數(shù)時(shí)，減法計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖， 關(guān)斷時(shí)鐘并觸發(fā)第一級(jí)減速電路延時(shí)T1，。到達(dá)目標(biāo)位置之前的最后幾步的減速控制由三級(jí)持續(xù)時(shí)間可變的延時(shí)T1，、T2，、T3，產(chǎn)生，它們順序觸發(fā)，產(chǎn)生送到相序發(fā)生器的步進(jìn)命令。減速以長(zhǎng)激磁周期（T1，）開始，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過平衡位置和產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)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(jí)延時(shí)，這時(shí)成本很高。通常，硬件定時(shí)僅用在工作速度比正常的啟停頻率高得不太多的場(chǎng)合。在這些應(yīng)用中，延時(shí)時(shí)間能夠用靜轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)子位置特性曲線成功地預(yù)測(cè)。

來源：八方匯PLC實(shí)戰(zhàn)編程培訓(xùn)