精密控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分技術(shù)研究

摘要：采用具有電細(xì)分的步時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精密控制系統(tǒng)中高精度的位移?；趩纹瑱C(jī)的直流電壓控制的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了繞組互感帶來(lái)的誤差，提高了細(xì)分精度。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用精密絲桿機(jī)構(gòu)、螺距為1mm、步進(jìn)電機(jī)步距離為1.8%26;#176;、實(shí)現(xiàn)128細(xì)分時(shí)，可調(diào)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(jī) 直流電壓控制 細(xì)分 在許多精密控制系統(tǒng)中需要有較高的位移精度。為實(shí)現(xiàn)高精度的位移與調(diào)整，常采用具有電細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)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(jī)的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)有斬波恒流驅(qū)動(dòng)與脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)等方法。而采用單片機(jī)直流電壓控制的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，則具有線路簡(jiǎn)單、細(xì)分精度高的特點(diǎn)。 1 電細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理 步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過(guò)對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流進(jìn)行控制，使步進(jìn)電機(jī)定子的合成磁場(chǎng)成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(zhuǎn)矩之和為零的位置為新的平衡位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了細(xì)分。圖1所示的是步進(jìn)電機(jī)電細(xì)分驅(qū)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(zhuǎn)了90%26;#176;，這是步進(jìn)電機(jī)整步運(yùn)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?yàn)閳D中2所示方向，這是步進(jìn)電機(jī)半步運(yùn)行的情況。若以A相或B相單獨(dú)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(jī)的運(yùn)行依賴(lài)于電機(jī)內(nèi)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(jī)的定子繞組在加載直流電壓的情況下，可以近擬為阻性負(fù)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(lái)控制定子繞組中電流的方法，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)。 2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分運(yùn)行的關(guān)鍵。常用的細(xì)分驅(qū)動(dòng)有斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)等方法。斬波恒流驅(qū)動(dòng)能大大提高了高頻響應(yīng)，消除了電機(jī)能量過(guò)剩引起的共振現(xiàn)象，但斬波恒流驅(qū)動(dòng)的采樣信號(hào)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(diào)制驅(qū)動(dòng)能抑制諧波，減少諧損耗。如果采用脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行細(xì)分，電機(jī)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(dāng)某一相通電流時(shí)，與之相鄰的相便會(huì)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(gè)附加磁場(chǎng)，嚴(yán)重影響了細(xì)分精度。 采用基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的方法，能較好地克服上述缺陷。該細(xì)分控制器由單片機(jī)、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(jī)輸出的數(shù)字累分控制信號(hào)通過(guò)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(jìn)電機(jī)的相電壓，實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。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(dòng)帶來(lái)的感應(yīng)電壓對(duì)細(xì)分的影響。另外，因?yàn)檫x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(xì)分?jǐn)?shù)，為提高細(xì)分?jǐn)?shù)，選用了12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX526，它具有四個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換通道，享有獨(dú)立的參考電壓，其分辨率為： V=vref(1/4096) 根據(jù)電機(jī)的特性及電機(jī)繞組中電流的額定值確定vref的值。圖3為單片機(jī)與MAX526的連接圖。功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的合理、可靠保證了電機(jī)的負(fù)載能力和運(yùn)行平穩(wěn)。圖33 控制軟件 控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方案，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的速度，較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理采用了查表方式，以節(jié)省CPU的運(yùn)行時(shí)間；同時(shí)為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，軟件設(shè)計(jì)中副入了相應(yīng)的抗干擾措施，如重復(fù)刷新技術(shù)、抗查詢(xún)死循環(huán)措施等，以提高系統(tǒng)的整體性能。圖4為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分運(yùn)行的程序流程圖。4 細(xì)分步距角的測(cè)量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 為了進(jìn)一步了解細(xì)分精度，對(duì)細(xì)分步距角進(jìn)行了測(cè)量。這里采用光學(xué)自準(zhǔn)方法對(duì)電機(jī)的角位移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試儀器使用自準(zhǔn)直儀和高精度數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備。圖5為實(shí)現(xiàn)128細(xì)分時(shí)一個(gè)整步步距內(nèi)細(xì)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(cè)數(shù)據(jù)分析可知，實(shí)現(xiàn)128細(xì)分時(shí)，最大誤差達(dá)15%，均方誤差為3.9%。這是由于測(cè)量帶來(lái)的誤差，電源電壓的波動(dòng)，電流諧波對(duì)繞組電感的影響，齒槽、鐵心材料、邊界條件等因素的存在，導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)偏離預(yù)期位置引起的。采用基于單片機(jī)控制直流電壓驅(qū)動(dòng)的細(xì)分方法，可實(shí)現(xiàn)128微步驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)電機(jī)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(dòng)的方法，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，對(duì)額定電壓為12V的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)調(diào)制頻率為1kHz時(shí)，其感應(yīng)電壓的最大值達(dá)到2V，細(xì)分誤差達(dá)200%。當(dāng)調(diào)制頻率降低時(shí)，雖然感應(yīng)電壓變小，但電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)。另外，采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)的電細(xì)分方法，誤差也在30%～40%。而采用本文介紹的直流電壓驅(qū)動(dòng)細(xì)分方法，其誤差明顯小于另外兩種驅(qū)動(dòng)方法。 采用精密絲桿機(jī)構(gòu)，螺距為1mm，步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8%26;#176;，可實(shí)現(xiàn)調(diào)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(tǒng)的需求。如選用的精度更高的D/A轉(zhuǎn)換器，則可進(jìn)一步提高細(xì)分?jǐn)?shù)。目前已將這種電細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)成功地運(yùn)用在同步輻射三維調(diào)整滑臺(tái)的控制系統(tǒng)中。