系統設計時(shí)首先考慮穩態(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)電機和驅動(dòng)電路。完成了這種選擇之后，接下來(lái)應考慮怎樣對電機和驅動(dòng)電路進(jìn)行控制，怎樣把它們連接到系統的其他部分。開(kāi)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)濟型數控機床改造等技術(shù)中。圖1是典型的開(kāi)環(huán)控制系統的方框圖。相控制信號可以由微處理機產(chǎn)生，也可以用某種形式的時(shí)序電路產(chǎn)生。不管這種信號怎樣產(chǎn)生，設計者都需要知道它在定時(shí)上有些什么限制。例如特定負載轉矩的最高步進(jìn)頻率；又如電機加速負載慣量的時(shí)間等。

開(kāi)環(huán)控制方案中，負載位置對控制電路沒(méi)有反饋，因此，步進(jìn)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(dòng)到新的要求的位置，那么，實(shí)際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現永久誤差。如果負載參數基本上不隨時(shí)間變化，則相控制信號的定時(shí)比較簡(jiǎn)單。但是，在負載可能變化的應用場(chǎng)合中，定時(shí)必須以最壞（即最大負載）情況進(jìn)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(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制方式是步進(jìn)頻率恒定的那種控制方式（圖2），電機在達到目標位置之前都以這個(gè)頻率轉動(dòng)。相控制信號由時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生，時(shí)序發(fā)生器由來(lái)自恒頻時(shí)鐘的步進(jìn)命令脈沖觸發(fā)�！皢�動(dòng)”信號接通這個(gè)時(shí)鐘，使電機以等于鐘頻的步進(jìn)頻率運行；“停止”信號關(guān)斷這個(gè)時(shí)鐘，使電機停轉。轉動(dòng)方向一開(kāi)始就送到相時(shí)序發(fā)生器，因此，它產(chǎn)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器，并以這個(gè)計數器記錄執行的步致。時(shí)鐘脈沖同時(shí)送給相時(shí)序發(fā)生器和減法計數器。于是，相激勵以恒定的鐘頻變化，減法計數器記錄電機相對目標的瞬時(shí)位置。

負載達到目標位置時(shí)，減法計數器的內容成為零。時(shí)鐘的“停止”信號利用這個(gè)零產(chǎn)生。如果恒定鐘統頻率太高，電機不能把負載慣量加速到對應的步進(jìn)頻率；系統或者完全不能工作，或者在行程的開(kāi)始階段失步。從靜止開(kāi)始，電機能響應而不失步的最高步進(jìn)頻率叫做“啟動(dòng)頻率”。與此類(lèi)似，“停止頻率”是系統控制信號突然關(guān)斷，而電機不沖過(guò)目標位置的最高步進(jìn)頻率。對任何電機-負載組合來(lái)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(guò)，在簡(jiǎn)單的恒頻系統里，時(shí)鐘必須調整在兩者之中較低的那個(gè)頻率上，以此確�？煽康膯�動(dòng)和停止。

電機從靜止開(kāi)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)間常數長(cháng)得多。在這種情況下，系統性能能夠用電機的靜轉短／轉子位置特性來(lái)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(dòng)額率；（2）減少系統慣量（電機慣量+負載慣量）也能提高啟動(dòng)頻率。

在系統工作壽命內．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(dòng)頻率略低，且可調。為了確保系統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(dòng)頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應改用較低頻率的時(shí)鐘，或者通過(guò)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(guò)試驗求得。

2、加速和減速工作

因為步進(jìn)電機系統的啟動(dòng)頻率比它的最高運行頻率低得多，因此，為了減少定位時(shí)間，常常通過(guò)加速使電機在接近最高的速度下運行。隨著(zhù)目標位置的逼近，為使電機平穩地停下來(lái)，重新使步進(jìn)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(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，步進(jìn)頻率都在變。若以曲線(xiàn)表示即得“速度曲線(xiàn)”，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制動(dòng)；而且，電機產(chǎn)生的減速轉矩比 （a）速度曲線(xiàn)；（b）對應的位置／時(shí)間響應曲線(xiàn)加速轉矩大。

3、開(kāi)環(huán)控制的實(shí)現

對任何系統，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，也許要求按指數曲線(xiàn)上升，但是，實(shí)現的費用高。設計者也許會(huì )用比較簡(jiǎn)單的線(xiàn)性斜坡來(lái)折衷，因為這種斜坡能以很低成本實(shí)現。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，估計以微處理機控制的潛在優(yōu)點(diǎn)成為很現實(shí)的問(wèn)題。在微機控制的系統中，常�？梢园盐⑻幚頇C的富裕處理能力用來(lái)控制步進(jìn)電機。這時(shí)，額外的存貯器成本和軟件開(kāi)發(fā)成本的增加很可能低于獨立的硬件控制器的價(jià)格。

（1）以微處理機產(chǎn)生定時(shí) 微處理機很容易產(chǎn)生控制步進(jìn)電機所要求的數字信號。開(kāi)環(huán)控制中，即使負載很輕，步進(jìn)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(jìn)命令。而每次發(fā)送步進(jìn)命令所需要的程序執行時(shí)間比0.1毫秒小很多，所以，微處理機完全有多余能力執行別的任務(wù)。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(gè)實(shí)例中，電機的步數是固定的，步進(jìn)命令之間的時(shí)間受從“TABLE”單元開(kāi)始的查閱表里存儲數值的控制。程序以設寄存器“指針”等于“TABLE”開(kāi)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)，使電機有時(shí)間執行第一步。這時(shí)， 取出由指針尋址的延時(shí)數（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，指向表內的下一個(gè)數。最后，控制程序返回主程序。

主程序繼續執行直到發(fā)生下次時(shí)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(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。

查閱表中的數值是考慮以6步上升到最高步進(jìn)頻率設置的，這個(gè)最高頻率是鐘頻的l／l0。減速從長(cháng)延時(shí)數值（25）開(kāi)始，這個(gè)時(shí)間對應轉子轉過(guò)平衡位置而進(jìn)入產(chǎn)生減速所需要的負轉矩的位置。因為負載轉矩產(chǎn)生的是負轉矩，所以，使電機減速只需要4步。最后，系統逐漸靜止，距離初始位置共14步。這時(shí)，程序檢測到“延遲”單元內容為零并轉到“停止”。 考慮14步運動(dòng)的”延遲”值取樣表該例中，走過(guò)的距離是固定的。不過(guò)，行程開(kāi)始之前，程序可裝入不同的目標位置。通過(guò)擴展查閱表和修改有關(guān)程序，能使步數增加。如果目標離初始位置少于14步，這時(shí)，可以刪去查閱表里適當的位，使頻率降低，步數減少。

（2）以硬件定時(shí) 如果加速系統需要執行的步數比較少，那么，相激磁定時(shí)可以用數字集成電路產(chǎn)生。例如，在圖5 （a）小，精確的前三步定時(shí)由持續時(shí)間可變的延時(shí)時(shí)序電路產(chǎn)生，用它把電機加速到由系統鐘頻確定的步進(jìn)頻率。當接近目標位值時(shí)，利用后面的延時(shí)時(shí)序電路使電機減速。

系統最初靜止，啟動(dòng)脈沖加到 “啟動(dòng)”輸入端后，經(jīng)過(guò)一系列邏輯“或”門(mén)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)電機加速。啟動(dòng)脈沖同時(shí)觸發(fā)第一級延時(shí)電路，把這個(gè)脈沖延遲T1時(shí)間，在這期間，電機運動(dòng)到第—次相轉換位置。經(jīng)過(guò)T1延時(shí)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(shí)電路。這種時(shí)序一直繼續到所有延時(shí)電路都工作完。最末一級延時(shí)的輸出用來(lái)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。

因為事先把目標位置送入了減法計數器。以后每執行一次，計數器就減一。因此，這個(gè)計數器記錄著(zhù)到達目標位置之前需要發(fā)出的步進(jìn)命令數。當還需要執行的步數等于減速延時(shí)電路數時(shí)，減法計數器產(chǎn)生一個(gè)脈沖， 關(guān)斷時(shí)鐘并觸發(fā)第一級減速電路延時(shí)T1，。到達目標位置之前的最后幾步的減速控制由三級持續時(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(cháng)激磁周期（T1，）開(kāi)始，讓轉子轉過(guò)平衡位置和產(chǎn)生負轉矩。 如果系統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(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。在這些應用中，延時(shí)時(shí)間能夠用靜轉矩／轉子位置特性曲線(xiàn)成功地預測。