精密控制系統(tǒng)中步進電機的電細分技術(shù)研究

摘要：采用具有電細分的步時電機驅(qū)動技術(shù)可實現(xiàn)精密控制系統(tǒng)中高精度的位移?；趩纹瑱C的直流電壓控制的電細分驅(qū)動技術(shù)，避免了繞組互感帶來的誤差，提高了細分精度。實驗表明，當采用精密絲桿機構(gòu)、螺距為1mm、步進電機步距離為1.8%26;#176;、實現(xiàn)128細分時，可調(diào)整組件每步位置移動為0.04μm，最大誤差為15%，均方誤差為3.9%。關(guān)鍵詞：步進電機 直流電壓控制 細分 在許多精密控制系統(tǒng)中需要有較高的位移精度。為實現(xiàn)高精度的位移與調(diào)整，常采用具有電細分的步進電機驅(qū)動技術(shù)。步進電機具有控制簡單、無積累誤差等優(yōu)點。通常步進電機的電細分驅(qū)動有斬波恒流驅(qū)動與脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動等方法。而采用單片機直流電壓控制的電細分驅(qū)動方式，則具有線路簡單、細分精度高的特點。 1 電細分驅(qū)動的原理 步進電機的電細分驅(qū)動是通過對電機勵磁繞組電流進行控制，使步進電機定子的合成磁場成為按細分步距旋轉(zhuǎn)的磁場，從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。當兩相相鄰繞組同時通過不同大小的電流時，各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置為新的平衡位置，這樣就實現(xiàn)了細分。圖1所示的是步進電機電細分驅(qū)動的原理。如果將A相通電時磁場方向定義為起始位“0”，從A相通電變?yōu)锽相通電磁場方向旋轉(zhuǎn)了90%26;#176;，這是步進電機整步運行情況如果A相、B相同時通電且通電電流相同，合成矢量方向為圖中2所示方向，這是步進電機半步運行的情況。若以A相或B相單獨通電時產(chǎn)生的磁場大小為半徑（以R表示）畫四分之一圓（如圖2所示），即可算出位置“1”時的兩分量A1=Rsinθ1,B1=Rcosθ1,同理可以算出A2=Rsinθ2，B2=Rcosθ;A3=Rsinθ3,B3=Rcosθ3。由于步時電機的運行依賴于電機內(nèi)部定子繞組產(chǎn)生的磁場，而磁場的大小又依賴于圓繞組中電流I的大小，步進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(diào)整加載在定子繞組兩端的直流電壓來控制定子繞組中電流的方法，從而實現(xiàn)步進電機按細分后的步距角轉(zhuǎn)動。 2 細分驅(qū)動控制電路 細分驅(qū)動控制技術(shù)是步進電機實現(xiàn)細分運行的關(guān)鍵。常用的細分驅(qū)動有斬波恒流驅(qū)動和脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動等方法。斬波恒流驅(qū)動能大大提高了高頻響應(yīng)，消除了電機能量過剩引起的共振現(xiàn)象，但斬波恒流驅(qū)動的采樣信號來自反饋電流，放大電路的諧振會給控制環(huán)帶來噪聲，引起較大的誤差。 脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動能抑制諧波，減少諧損耗。如果采用脈沖寬度調(diào)制進行細分，電機繞組始終處于通斷狀態(tài)，通湯的頻率與調(diào)制電奪訴頻率一致。當某一相通電流時，與之相鄰的相便會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與調(diào)制電壓的頻率等參數(shù)有關(guān)，這樣就疊加了一個附加磁場，嚴重影響了細分精度。 采用基于單片機的直流電壓驅(qū)動控制步進電機的方法，能較好地克服上述缺陷。該細分控制器由單片機、D/A轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換器、功率放大電路等部分組成，其硬件系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。由單片機輸出的數(shù)字累分控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為階梯波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，由功率放大電路輸出，控制步進電機的相電壓，實現(xiàn)細分驅(qū)動。由于輸出的是恒定電壓，從而避免了脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動帶來的感應(yīng)電壓對細分的影響。另外，因為選用了高精度的D/A轉(zhuǎn)換器，加在繞組兩端的電壓值與理論值誤差很小。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率影響細分數(shù)，為提高細分數(shù)，選用了12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX526，它具有四個獨立的D/A轉(zhuǎn)換通道，享有獨立的參考電壓，其分辨率為： V=vref(1/4096) 根據(jù)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(qū)動電路使用可編程集成穩(wěn)壓器，其電壓調(diào)整范圍大，外圍電路笑意，輸出功率大。驅(qū)動電路的合理、可靠保證了電機的負載能力和運行平穩(wěn)。圖33 控制軟件 控制軟件采用模塊化設(shè)計方案，為了保證系統(tǒng)運行的速度，較為復雜的數(shù)據(jù)處理采用了查表方式，以節(jié)省CPU的運行時間；同時為了提高整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，軟件設(shè)計中副入了相應(yīng)的抗干擾措施，如重復刷新技術(shù)、抗查詢死循環(huán)措施等，以提高系統(tǒng)的整體性能。圖4為步進電機細分運行的程序流程圖。4 細分步距角的測量與實測數(shù)據(jù) 為了進一步了解細分精度，對細分步距角進行了測量。這里采用光學自準方法對電機的角位移進行測量，測試儀器使用自準直儀和高精度數(shù)顯轉(zhuǎn)臺等設(shè)備。圖5為實現(xiàn)128細分時一個整步步距內(nèi)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;）。 從實測數(shù)據(jù)分析可知，實現(xiàn)128細分時，最大誤差達15%，均方誤差為3.9%。這是由于測量帶來的誤差，電源電壓的波動，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，導致氣隙磁場偏離預(yù)期位置引起的。采用基于單片機控制直流電壓驅(qū)動的細分方法，可實現(xiàn)128微步驅(qū)動（步進電機整步距角為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(diào)制驅(qū)動的方法，經(jīng)實際測試，對額定電壓為12V的步進電機，當調(diào)制頻率為1kHz時，其感應(yīng)電壓的最大值達到2V，細分誤差達200%。當調(diào)制頻率降低時，雖然感應(yīng)電壓變小，但電機出現(xiàn)振動。另外，采用斬波恒流驅(qū)動的電細分方法，誤差也在30%～40%。而采用本文介紹的直流電壓驅(qū)動細分方法，其誤差明顯小于另外兩種驅(qū)動方法。 采用精密絲桿機構(gòu)，螺距為1mm，步進電機步距角為1.8%26;#176;，可實現(xiàn)調(diào)整組件每步位移為0.04μm。這樣高精度的位移能滿足許多精密控制系統(tǒng)的需求。如選用的精度更高的D/A轉(zhuǎn)換器，則可進一步提高細分數(shù)。目前已將這種電細分驅(qū)動技術(shù)成功地運用在同步輻射三維調(diào)整滑臺的控制系統(tǒng)中。