在PSoC4平台上开发步进电机控制系统

3. 步进电机控制原理及主要商用控制方案分析

① 步进电机控制原理

两相HB型步进电机是步进电机家族中应用最为广泛的一种，具有分辨率高，转矩大和性价比高的优点。其缺点是低速时的振动大和高速时的噪音。采用细分步进驱动是降低振动和噪音的有效手段。

图2表示两相HB型步进电机的4细分微步进的各相电流基准波形。各相电流值的峰值相等，相位偏差90°，电机相电流将跟踪此基准波形，由于电机实际相电流的连续性，其平均曲线将变成正弦波。

图2：4细分微步进的电流基准波形

② 步进电机主要商用控制方案分析

目前市场上比较成熟的步进电机控制方案大致有两种，区别主要在产生细分正弦波的方式上，分别为偏硬件和偏软件的方案。偏硬件的方案由CPLD和DAC产生基准正弦波，偏软件的方案由MCU及其内部PWM产生基准正弦波。

1）基于CPLD的偏硬件方案分析

图3为基于CPLD的偏硬件方案控制框图，CPLD根据双四拍时序控制双全桥驱动电路的开通。其内部存储有基准正弦波的细分值数字表，此细分表有DAC转换成模拟电压与电机相电流的采样值进行比较后控制双全桥驱动电路，可以使电机相电流准确跟踪正弦基准值。

图3：基于CPLD的偏硬件方案控制框图

2）基于MCU的偏硬件方案分析

图4为基于MCU的偏软件方案控制框图，MCU对电机两相电流进行实时采样，进行ADC转换后与细分正弦波的基准值进行比较，根据比较的结果决定PWM的开通，从而使电机产生细分正弦的相电流。

图4：基于MCU的偏软件方案控制框图

综合上述两种方案不难看出，CPLD方案可以产生100K以上的pps(pulse per second),但系统所需器件多，成本较高。MCU方案成本有所降低，但由于ADC采样带来的相位滞后和闭环控制算法耗时较长限制了电机的pps,一般在50K以下，如果要继续提高，需要采用高档的MCU或DSP，也会增加成本。