步進(jìn)電機(jī)優(yōu)化控制

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，輸入脈沖總數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的總旋轉(zhuǎn)角度，電機(jī)的速度由每秒輸入脈沖數(shù)目所決定，因此易實現(xiàn)機(jī)械位置的精準(zhǔn)控制。而且由于步進(jìn)電機(jī)價格低廉、可控性強(qiáng)等特點，使其在數(shù)控機(jī)床傳送控制等自動控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展以及企業(yè)生產(chǎn)的要求，步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的以單片機(jī)等微處理器為核心單元的控制系統(tǒng)暴露出了如下缺點：控制策略單一不利于實現(xiàn)人機(jī)交互，而且控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠，步進(jìn)分辨率低、缺乏靈活性，低頻時的振蕩和噪聲大，而且受步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和空間的限制，步進(jìn)電機(jī)的步距角不可能無限的小，難以滿足高精度開環(huán)控制的需求。由于FPGA編程方式簡單，開發(fā)周期短，可靠性高，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文在總結(jié)FPGA的分頻技術(shù)以及步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理的基礎(chǔ)上，通過PWM控制技術(shù)來提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，仿真和實驗表明，本文采取的措施有效地實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的高效、精確控制。

1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理

步進(jìn)電機(jī)的工作原理如圖1所示，對四相步進(jìn)電機(jī)而言，按照一定的順序?qū)Ω飨嗬@組通電即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。例如，當(dāng)開關(guān)B與電源導(dǎo)通而其他開關(guān)斷開時，在磁力線的作用下B相磁極和轉(zhuǎn)子0，3號對齊;當(dāng)開關(guān)C與電源導(dǎo)通而其他開關(guān)斷開時，在磁力線的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jī)就會沿著A，B，C，D方向轉(zhuǎn)動。

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

θ步距=360°/(kmzn) (1)

式中：km為步進(jìn)電機(jī)的工作節(jié)拍系數(shù);zn為齒數(shù)。

受步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)的限制，步進(jìn)電機(jī)的步距角不可能非常小，即每一單步控制的轉(zhuǎn)動量相對比較大，在許多精密控制領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)的功能達(dá)不到使用要求。因此為了提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，需采用細(xì)分控制技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化控制。細(xì)分控制類似于插值，其基

本原理就是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，在兩個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(jī)可以工作在許多中間的狀態(tài)，從而使得步進(jìn)電機(jī)的每一步得到細(xì)分，其步距角更小，系統(tǒng)的分辨得到提高，性能得到優(yōu)化。而細(xì)分控制通常有兩種細(xì)分方式，一是使電流按線性規(guī)律變化來細(xì)分，二是按等步距角細(xì)分。為了比較兩種細(xì)分方式的優(yōu)劣，還需要了解步進(jìn)電機(jī)工作時的靜態(tài)距角特征。

M=-Mksinθ=-kti2sinθ (2)

式中：M為電磁轉(zhuǎn)矩;Mk為一定繞組電流時的最大靜轉(zhuǎn)矩;對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)不考慮磁路飽和時，可以認(rèn)為Mk與電流i的平方成正比，負(fù)號表示電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場之間為楞次關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩總是阻礙轉(zhuǎn)子離開磁場最小磁阻的位置。

現(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來分析兩種細(xì)分方式。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相繞組分別通電時，其矩角特性為彼此相差120°電角度的正弦曲線，如圖2所示。