原创 闭环步进驱动的开发

步进电机的优点非常多，但最关键的一点就是——便宜，实在是太便宜了，42的步进电机全新的几十元，二手的十几元甚至是才几元钱。很多人都喜欢步进电机的另一个特点——开环驱动，能够用便宜的驱动器实现位置驱动，尤其是细分芯片和驱动器也很便宜，但是开环驱动也存在一切问题：精度低、转速慢、功耗大、易震动，所以把闭环伺服的技术引入到步进电机驱动领域，具有很高的实用价值。

闭环步进驱动的优点主要是：1、定位精度高（一两个编码器分辨率）；2、高速性能提高30%左右（直轴分量大幅度降低）；3、动态响应性能大幅度提高（变速也不会失步）；4、能量利用率很高尤其在低速低负载时（直轴分量大幅度降低）；5、低速振动大幅度降低；6、电机停止后几乎无振动（相比交流伺服有一定的自锁力矩）.

为了进一步提高闭环步进电机的性价比，以下几点很关键：

1、降低成本，一般说来需要增加一个光电编码盘作为步进电机的反馈元件，但紫星认为最好能够使用磁编码器来做反馈，精度高、体积小、成本低，绝对角度数据还可以省去每次开机的重定位操作，譬如TLE5012具有15bit的分辨率，非常适合与高精度的定位需求。但是要用于步进电机的闭环反馈需要解决数据非线性的定位补偿问题。

2、高性能的驱动和电流采集电路，驱动电路自不用说，目前有很多专用的双全桥驱动芯片，紫星用的是DRV8844感觉很不错，高精度的电流采集是实现FOC驱动的前提，紫星使用MAX9918高边双向电流放大器，直接采集每相线圈上的电流，虽然成本稍微高一点点，但是精度实在没得说，比低边采样好用很多。

3、FOC驱动和高性能反馈控制算法，两相步进电机的FOC运算比三相电机的简单，将绝对值磁编码器的数据变换为电气角度，再转换出Iq和Id；根据编码器数据与目标位置的误差在反馈控制算法的控制下获得Iq和Id的目标值，进行电流环运算后将控制量分配到双轴的占空比，实现编码器对目标值的严密跟踪。在实验中紫星发现常规的PID算法实在太难用了，增益小了跟踪太慢，大了容易过冲；积分小了误差大，大了容易震荡；微分小了响应太慢，大了容易抖动，最终换了一些新概念的控制算法后才得到比较满意的效果。