步進(jìn)電機控制系統的設計方案

0 引言

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機，輸入脈沖總數控制步進(jìn)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(shí)現機械位置的精準控制。而且由于步進(jìn)電機價(jià)格低廉、可控性強等特點(diǎn)，使其在數控機床傳送控制等自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。但隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展以及企業(yè)生產(chǎn)的要求，步進(jìn)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(diǎn)：控制策略單一不利于實(shí)現人機交互，而且控制電路復雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高，系統穩定性不夠，步進(jìn)分辨率低、缺乏靈活性，低頻時(shí)的振蕩和噪聲大，而且受步進(jìn)電機機械結構和空間的限制，步進(jìn)電機的步距角不可能無(wú)限的小，難以滿(mǎn)足高精度開(kāi)環(huán)控制的需求。由于FPGA編程方式簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，可靠性高，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。本文在總結FPGA的分頻技術(shù)以及步進(jìn)電機細分控制原理的基礎上，通過(guò)PWM控制技術(shù)來(lái)提高步進(jìn)電機的分辨率，仿真和實(shí)驗表明，本文采取的措施有效地實(shí)現步進(jìn)電機控制的高效、精確控制。

1 步進(jìn)電機細分控制原理

步進(jìn)電機的工作原理如圖1所示，對四相步進(jìn)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(dòng)。例如，當開(kāi)關(guān)B與電源導通而其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，在磁力線(xiàn)的作用下B相磁極和轉子0,3號對齊;當開(kāi)關(guān)C與電源導通而其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，在磁力線(xiàn)的作用下，轉子轉動(dòng)，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(huì )沿著(zhù)A,B,C,D方向轉動(dòng)。

為了理解步進(jìn)電機的不足，還需了解步進(jìn)電機的步距角。步距角的定義為：

式中：km為步進(jìn)電機的工作節拍系數;zn為齒數。

受步進(jìn)電機的拍數和轉子齒數的限制，步進(jìn)電機的步距角不可能非常小，即每一單步控制的轉動(dòng)量相對比較大，在許多精密控制領(lǐng)域，步進(jìn)電機的功能達不到使用要求。因此為了提高步進(jìn)電機的分辨率，需采用細分控制技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化控制。細分控制類(lèi)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(gè)控制電流之間增加許多中間狀態(tài)的電流，使得步進(jìn)電機可以工作在許多中間的狀態(tài)，從而使得步進(jìn)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(yōu)化。而細分控制通常有兩種細分方式，一是使電流按線(xiàn)性規律變化來(lái)細分，二是按等步距角細分。為了比較兩種細分方式的優(yōu)劣，還需要了解步進(jìn)電機工作時(shí)的靜態(tài)距角特征。

式中：M 為電磁轉矩;Mk 為一定繞組電流時(shí)的最大靜轉矩;對于反應式步進(jìn)電機，當不考慮磁路飽和時(shí)，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(chǎng)之間為楞次關(guān)系，即電磁轉矩總是阻礙轉子離開(kāi)磁場(chǎng)最小磁阻的位置。