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

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）。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，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、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）、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，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，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
       使用、控制步進電機必須有環形脈沖、功率放大等組成的控制系統，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平均電流而非靜態電流。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、細分數等。
       為盡量提高電機的動態性能，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，代替現有常規使用的燃氣比例閥。熱水器系統通過采集出水溫度信息，通過PID調節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，必須考慮燃氣調節精度問題，不能出現不可設定的溫度斷點，即系統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。
       燃氣調節精度：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步的調節范圍，熱水器常規加熱區間為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步的調節區間，完全滿足出水溫度無極設定，達到穩定水溫的目的。
       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，比例參數P，積分參數I和微分參數D， 這三個參數的具體做用如下：
       比例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降。
       積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。只要有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。
       微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，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，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。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規律相結合，組成PD或PID控制器。
       PID算法為工業自動控制算法，在熱水器系統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響應速度提高，并且能使系統的穩定性增強，從而使用戶體驗到最舒適的衛浴體驗。

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，依據出水溫度與設定溫度的差值通過PID控制調節，使出水溫度逼近設定溫度。