步进电机优化控制

当A、B两相通电时，设电流分别为iA、iB，相应的静转矩为MA、MB，忽略磁路之间的影响，其合成矩角特性为二者相叠加，如式(3)所示：

由公式(3)和(4)可知，当步进电机的电流按照线性规律变化时，其距特性如图3(a)所示。由于距角特征幅值因通电电流的不同而各不相等，因此各细分步的步距角就不能保持一致。理想的细分电流波形应使各通电状态下的步距角特性的幅值、形状均相等，如图3(b)所示。

因此电流按线性规律变化的细分方式使得细分后的每一小步的控制精度不相等。而如果按等步距角细分，则细分后的步距角为：

如果在控制电路中严格按照电流分配系数来控制各个通电状态，则能够保证细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细分方式。

2步进电机细分控制硬件的实现

为了实现步进电机的等步距角细分，本文采用脉冲宽度调制(PWM)的方式来实现。PWM就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。这些脉冲综合在一起即可形成等效的正弦波、方波等预期的波形。而等效输出波形的质量与脉冲的步距有关，即同一时刻输出的PWM路数越多，则脉冲密度越高，则输出等效波形的质量就越好。而传统的步进电机控制系统多采用单片机作为微处理器，而单片机是单线程的微处理器，同一时刻只能执行一条命令，也即是同一时刻只能产生一路PWM信号，因此输出波形质量较差，从而导致步进电机的控制精度偏低。而FPGA的运算速度远远高于单片机的运算速度，且通过模块化设计可以使其处于多线程工作模式，即可以同时产生多路PWM信号，提高了输出等效波形的质量。本文中选取Altera公司2004年推出了新款CycloneⅡ系列FPGA器件作为开发平台，同时输出8路PWM信号，控制实现四相步进电机的16细分。同时利用串口模块与上位机相连以实现人机交互。系统原理图如图4所示。