步進(jìn)電機(jī)優(yōu)化控制

當(dāng)A、B兩相通電時(shí)，設(shè)電流分別為iA、iB，相應(yīng)的靜轉(zhuǎn)矩為MA、MB，忽略磁路之間的影響，其合成矩角特性為二者相疊加，如式(3)所示：

由公式(3)和(4)可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的電流按照線性規(guī)律變化時(shí)，其距特性如圖3(a)所示。由于距角特征幅值因通電電流的不同而各不相等，因此各細(xì)分步的步距角就不能保持一致。理想的細(xì)分電流波形應(yīng)使各通電狀態(tài)下的步距角特性的幅值、形狀均相等，如圖3(b)所示。

因此電流按線性規(guī)律變化的細(xì)分方式使得細(xì)分后的每一小步的控制精度不相等。而如果按等步距角細(xì)分，則細(xì)分后的步距角為：

如果在控制電路中嚴(yán)格按照電流分配系數(shù)來(lái)控制各個(gè)通電狀態(tài)，則能夠保證細(xì)分后的每一小步的控制精度相等。因此本文采用按等步距角的細(xì)分方式。

2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制硬件的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的等步距角細(xì)分，本文采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。這些脈沖綜合在一起即可形成等效的正弦波、方波等預(yù)期的波形。而等效輸出波形的質(zhì)量與脈沖的步距有關(guān)，即同一時(shí)刻輸出的PWM路數(shù)越多，則脈沖密度越高，則輸出等效波形的質(zhì)量就越好。而傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)多采用單片機(jī)作為微處理器，而單片機(jī)是單線程的微處理器，同一時(shí)刻只能執(zhí)行一條命令，也即是同一時(shí)刻只能產(chǎn)生一路PWM信號(hào)，因此輸出波形質(zhì)量較差，從而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的控制精度偏低。而FPGA的運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)的運(yùn)算速度，且通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)可以使其處于多線程工作模式，即可以同時(shí)產(chǎn)生多路PWM信號(hào)，提高了輸出等效波形的質(zhì)量。本文中選取Altera公司2004年推出了新款CycloneⅡ系列FPGA器件作為開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)輸出8路PWM信號(hào)，控制實(shí)現(xiàn)四相步進(jìn)電機(jī)的16細(xì)分。同時(shí)利用串口模塊與上位機(jī)相連以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。系統(tǒng)原理圖如圖4所示。