精密控制系統中步進(jìn)電機的電細分技術(shù)研究

摘要：采用具有電細分的步時(shí)電機驅動(dòng)技術(shù)可實(shí)現精密控制系統中高精度的位移?；趩纹瑱C的直流電壓控制的電細分驅動(dòng)技術(shù)，避免了繞組互感帶來(lái)的誤差，提高了細分精度。實(shí)驗表明，當采用精密絲桿機構、螺距為1mm、步進(jìn)電機步距離為1.8%26;#176;、實(shí)現128細分時(shí)，可調整組件每步位置移動(dòng)為0.04μm，最大誤差為15%，均方誤差為3.9%。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機 直流電壓控制 細分 在許多精密控制系統中需要有較高的位移精度。為實(shí)現高精度的位移與調整，常采用具有電細分的步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)。步進(jìn)電機具有控制簡(jiǎn)單、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)。通常步進(jìn)電機的電細分驅動(dòng)有斬波恒流驅動(dòng)與脈沖寬度調制驅動(dòng)等方法。而采用單片機直流電壓控制的電細分驅動(dòng)方式，則具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、細分精度高的特點(diǎn)。 1 電細分驅動(dòng)的原理 步進(jìn)電機的電細分驅動(dòng)是通過(guò)對電機勵磁繞組電流進(jìn)行控制，使步進(jìn)電機定子的合成磁場(chǎng)成為按細分步距旋轉的磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)轉子轉動(dòng)實(shí)現的。當兩相相鄰繞組同時(shí)通過(guò)不同大小的電流時(shí)，各相產(chǎn)生的轉矩之和為零的位置為新的平衡位置，這樣就實(shí)現了細分。圖1所示的是步進(jìn)電機電細分驅動(dòng)的原理。如果將A相通電時(shí)磁場(chǎng)方向定義為起始位“0”，從A相通電變?yōu)锽相通電磁場(chǎng)方向旋轉了90%26;#176;，這是步進(jìn)電機整步運行情況如果A相、B相同時(shí)通電且通電電流相同，合成矢量方向為圖中2所示方向，這是步進(jìn)電機半步運行的情況。若以A相或B相單獨通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小為半徑（以R表示）畫(huà)四分之一圓（如圖2所示），即可算出位置“1”時(shí)的兩分量A1=Rsinθ1,B1=Rcosθ1,同理可以算出A2=Rsinθ2，B2=Rcosθ;A3=Rsinθ3,B3=Rcosθ3。由于步時(shí)電機的運行依賴(lài)于電機內部定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的大小又依賴(lài)于圓繞組中電流I的大小，步進(jìn)電機的定子繞組在加載直流電壓的情況下，可以近擬為阻性負載，所以可以采用調整加載在定子繞組兩端的直流電壓來(lái)控制定子繞組中電流的方法，從而實(shí)現步進(jìn)電機按細分后的步距角轉動(dòng)。 2 細分驅動(dòng)控制電路 細分驅動(dòng)控制技術(shù)是步進(jìn)電機實(shí)現細分運行的關(guān)鍵。常用的細分驅動(dòng)有斬波恒流驅動(dòng)和脈沖寬度調制驅動(dòng)等方法。斬波恒流驅動(dòng)能大大提高了高頻響應，消除了電機能量過(guò)剩引起的共振現象，但斬波恒流驅動(dòng)的采樣信號來(lái)自反饋電流，放大電路的諧振會(huì )給控制環(huán)帶來(lái)噪聲，引起較大的誤差。 脈沖寬度調制驅動(dòng)能抑制諧波，減少諧損耗。如果采用脈沖寬度調制進(jìn)行細分，電機繞組始終處于通斷狀態(tài)，通湯的頻率與調制電奪訴頻率一致。當某一相通電流時(shí)，與之相鄰的相便會(huì )產(chǎn)生感應電壓，感應電壓的大小與調制電壓的頻率等參數有關(guān)，這樣就疊加了一個(gè)附加磁場(chǎng)，嚴重影響了細分精度。 采用基于單片機的直流電壓驅動(dòng)控制步進(jìn)電機的方法，能較好地克服上述缺陷。該細分控制器由單片機、D/A轉換器、電平轉換器、功率放大電路等部分組成，其硬件系統原理框圖如圖2所示。由單片機輸出的數字累分控制信號通過(guò)D/A轉換器轉換為階梯波，經(jīng)電平轉換后，由功率放大電路輸出，控制步進(jìn)電機的相電壓，實(shí)現細分驅動(dòng)。由于輸出的是恒定電壓，從而避免了脈沖寬度調制驅動(dòng)帶來(lái)的感應電壓對細分的影響。另外，因為選用了高精度的D/A轉換器，加在繞組兩端的電壓值與理論值誤差很小。D/A轉換器的分辨率影響細分數，為提高細分數，選用了12位D/A轉換器MAX526，它具有四個(gè)獨立的D/A轉換通道，享有獨立的參考電壓，其分辨率為： V=vref(1/4096) 根據電機的特性及電機繞組中電流的額定值確定vref的值。圖3為單片機與MAX526的連接圖。功率驅動(dòng)電路使用可編程集成穩壓器，其電壓調整范圍大，外圍電路笑意，輸出功率大。驅動(dòng)電路的合理、可靠保證了電機的負載能力和運行平穩。圖33 控制軟件 控制軟件采用模塊化設計方案，為了保證系統運行的速度，較為復雜的數據處理采用了查表方式，以節省CPU的運行時(shí)間；同時(shí)為了提高整個(gè)系統的可靠性和抗干擾能力，軟件設計中副入了相應的抗干擾措施，如重復刷新技術(shù)、抗查詢(xún)死循環(huán)措施等，以提高系統的整體性能。圖4為步進(jìn)電機細分運行的程序流程圖。4 細分步距角的測量與實(shí)測數據 為了進(jìn)一步了解細分精度，對細分步距角進(jìn)行了測量。這里采用光學(xué)自準方法對電機的角位移進(jìn)行測量，測試儀器使用自準直儀和高精度數顯轉臺等設備。圖5為實(shí)現128細分時(shí)一個(gè)整步步距內細分角的變化圖（如42BYGH型兩相四拍為例，整步步距為1.8%26;#176;）。 從實(shí)測數據分析可知，實(shí)現128細分時(shí)，最大誤差達15%，均方誤差為3.9%。這是由于測量帶來(lái)的誤差，電源電壓的波動(dòng)，電流諧波對繞組電感的影響，齒槽、鐵心材料、邊界條件等因素的存在，導致氣隙磁場(chǎng)偏離預期位置引起的。采用基于單片機控制直流電壓驅動(dòng)的細分方法，可實(shí)現128微步驅動(dòng)（步進(jìn)電機整步距角為1.8%26;#176;），最大誤差為15%，均方誤差為3.9%。而采用脈沖寬度調制驅動(dòng)的方法，經(jīng)實(shí)際測試，對額定電壓為12V的步進(jìn)電機，當調制頻率為1kHz時(shí)，其感應電壓的最大值達到2V，細分誤差達200%。當調制頻率降低時(shí)，雖然感應電壓變小，但電機出現振動(dòng)。另外，采用斬波恒流驅動(dòng)的電細分方法，誤差也在30%～40%。而采用本文介紹的直流電壓驅動(dòng)細分方法，其誤差明顯小于另外兩種驅動(dòng)方法。 采用精密絲桿機構，螺距為1mm，步進(jìn)電機步距角為1.8%26;#176;，可實(shí)現調整組件每步位移為0.04μm。這樣高精度的位移能滿(mǎn)足許多精密控制系統的需求。如選用的精度更高的D/A轉換器，則可進(jìn)一步提高細分數。目前已將這種電細分驅動(dòng)技術(shù)成功地運用在同步輻射三維調整滑臺的控制系統中。