本文描述新型款式恒溫熱水器通過步進電機代替調節(jié)閥工作，講述步進電機相關參數(shù)。注意事項、驅動設計和調節(jié)閥工作對比性質。

1、步進電機的結構及工作原理
       本文介紹的是一種24DC四相感應式步進電機。
       步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
       感應式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。
       感應式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行,例如：四相八拍運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式。

2、熱水器步進電機的選擇
       步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜力矩及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
2.1 步距角的選擇
       電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。根據(jù)熱水器的閥芯大小與開度的變化確定步距角的大小。
2.2 靜力矩的選擇
       步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。
2.3 電流的選擇
       靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源及驅動電壓）。
       綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：
       負載決定步距角，負載決定靜力矩，依據(jù)矩頻特性曲線圖確定電流，最終確定電機的型號。

3、步進電機的驅動
       驅動控制系統(tǒng)
       使用、控制步進電機必須有環(huán)形脈沖、功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其流程如下：
       脈沖信號〉信號分配〉功率放大〉步進電機〉負載
3.1 脈沖信號的產生
       脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，如果電機允許，為了方便程序調試也有用0.5的，電機轉速越高，占空比則越大。
3.2、信號分配

       感應式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-DA-AB。
3.3、功率放大
       功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數(shù)等。
       為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。

4、四相步進電機的驅動
4.1 接線圖與信號分配                     
4.2 驅動電路
       上圖為步進電機驅動電路。其中X、/X、Y和/Y輸出如下：
       當單片機輸出高電平時，三極管導通，步進電機的線圈有電流流過。反之三極管截止，線圈無電流流過。由線圈產生的感生電壓經接在三極管C極上的二極管通過電阻R9釋放，從而保護三極管避免擊穿。
4.3 驅動波形
       四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。但是八拍工作方式的控制方法比較麻煩，考慮到啟動的驅動力等，在啟動和技術步進電機時需要做額外的處理，當然其他兩種控制有時也需要考慮這些。
5、四相步進電機在熱水器上的應用
5.1 結構示意圖
5.2 步進電機與閥芯流量特性
       由流量特性曲線可以看出，步數(shù)與流量基本成線性變化，因此可以把電機與閥芯當成一個燃氣比例閥來進行控制。
5.3 控制說明
       本文中將四相步進電機看做一個燃氣輸出控制部件，代替現(xiàn)有常規(guī)使用的燃氣比例閥。熱水器系統(tǒng)通過采集出水溫度信息，通過PID調節(jié)從而控制熱水器輸出功率，使熱水器的出水溫度可無級設定，從而達到調控水溫、穩(wěn)定水溫的目的。
       本文中使用的步進電機燃氣閥，在設計時，必須考慮燃氣調節(jié)精度問題，不能出現(xiàn)不可設定的溫度斷點，即系統(tǒng)不能輸出客戶需求的燃氣量，從而達不到出水溫度無級調節(jié)。
       燃氣調節(jié)精度：由流量特征曲線可以看出，在有效的流量范圍內，步進電機共有600步的調節(jié)范圍，熱水器常規(guī)加熱區(qū)間為5攝氏度到65攝氏度；那么對應每一攝氏度的燃氣量步進電機可以有10步的調節(jié)區(qū)間，完全滿足出水溫度無極設定，達到穩(wěn)定水溫的目的。
       PID算法為常用的自動控制算法，也是迄今為止最成熟的自動控制算法之一，PID算法共有三個參數(shù)，比例參數(shù)P，積分參數(shù)I和微分參數(shù)D， 這三個參數(shù)的具體做用如下：
       比例調節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。
       積分調節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。只要有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。
       微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成PD或PID控制器。
       PID算法為工業(yè)自動控制算法，在熱水器系統(tǒng)中為了達到最好的效果，通常會輔助一些其他的算法。例如增加自學習的算法，使PID修正為智能PID算法，或者增加一些模糊算法，修正為模糊PID算法，通過這些輔助的算法，我們可以使熱水器的系統(tǒng)響應速度提高，并且能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，從而使用戶體驗到最舒適的衛(wèi)浴體驗。

6、結論
       通過對G閥閥芯的選用確定負載的大小與轉矩，從而確定步進電機的型號，依據(jù)出水溫度與設定溫度的差值通過PID控制調節(jié)，使出水溫度逼近設定溫度。