步進電機控制系統的設計方案

0 引言

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，輸入脈沖總數控制步進電機的總旋轉角度，電機的速度由每秒輸入脈沖數目所決定，因此易實現機械位置的精準控制。而且由于步進電機價格低廉、可控性強等特點，使其在數控機床傳送控制等自動控制領域中得到了廣泛的應用。但隨著技術的發展以及企業生產的要求，步進電機傳統的以單片機等微處理器為核心單元的控制系統暴露出了如下缺點：控制策略單一不利于實現人機交互，而且控制電路復雜、控制精度低、生產成本高，系統穩定性不夠，步進分辨率低、缺乏靈活性，低頻時的振蕩和噪聲大，而且受步進電機機械結構和空間的限制，步進電機的步距角不可能無限的小，難以滿足高精度開環控制的需求。由于FPGA編程方式簡單，開發周期短，可靠性高，使其在工業控制領域的應用越來越廣泛。本文在總結FPGA的分頻技術以及步進電機細分控制原理的基礎上，通過PWM控制技術來提高步進電機的分辨率，仿真和實驗表明，本文采取的措施有效地實現步進電機控制的高效、精確控制。

1 步進電機細分控制原理

步進電機的工作原理如圖1所示，對四相步進電機而言，按照一定的順序對各相繞組通電即可控制電機的轉動。例如，當開關B與電源導通而其他開關斷開時，在磁力線的作用下B相磁極和轉子0,3號對齊;當開關C與電源導通而其他開關斷開時，在磁力線的作用下，轉子轉動，1,4號齒和C相繞組的磁極對齊。同理，依次向A,B,C,D四相繞組供電，電機就會沿著A,B,C,D方向轉動。

為了理解步進電機的不足，還需了解步進電機的步距角。步距角的定義為：

式中：km為步進電機的工作節拍系數;zn為齒數。

受步進電機的拍數和轉子齒數的限制，步進電機的步距角不可能非常小，即每一單步控制的轉動量相對比較大，在許多精密控制領域，步進電機的功能達不到使用要求。因此為了提高步進電機的分辨率，需采用細分控制技術對其進行優化控制。細分控制類似于插值，其基本原理就是將電機繞組中的電流細分，在兩個控制電流之間增加許多中間狀態的電流，使得步進電機可以工作在許多中間的狀態，從而使得步進電機的每一步得到細分，其步距角更小，系統的分辨得到提高，性能得到優化。而細分控制通常有兩種細分方式，一是使電流按線性規律變化來細分，二是按等步距角細分。為了比較兩種細分方式的優劣，還需要了解步進電機工作時的靜態距角特征。

式中：M 為電磁轉矩;Mk 為一定繞組電流時的最大靜轉矩;對于反應式步進電機，當不考慮磁路飽和時，可以認為Mk 與電流i 的平方成正比，負號表示電磁轉矩與定子磁場之間為楞次關系，即電磁轉矩總是阻礙轉子離開磁場最小磁阻的位置。