專利名稱：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種步進(jìn)電機(jī)，具體涉及一種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
在高精度微位移控制系統(tǒng)中，常采用步進(jìn)電機(jī)電細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它可有 效改善步進(jìn)電機(jī)的低頻特性，實(shí)現(xiàn)高精度的定位和微小位移。
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)定 子相鄰勵(lì)磁繞組的合成磁場(chǎng)成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，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)。
以兩相混合式雙線繞組步進(jìn)電機(jī)為例，理想狀態(tài)下，相應(yīng)繞組的感應(yīng)電 壓為
3y/。
化瓶 =--
3y/A眠
脫&
二見
z歲
、
^ ( !)
^為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，^轉(zhuǎn)子角速度，^轉(zhuǎn)子電角度，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈中 與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，變化周期為一個(gè)距齒角2"電弧度。由于混合式步進(jìn)電 機(jī)所含的諧波分量很小，可以忽略不計(jì)，貝!l:
l"6《/^cos^ t。=z, , (3)
不計(jì)鐵芯飽和的影響，應(yīng)用疊加原理，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)兩相通電時(shí)， 電磁功率為
A = ')。 + " ( 4 )
電磁轉(zhuǎn)矩為<formula>formula see original document page 4</formula> (5)
當(dāng)在兩相相鄰繞組同時(shí)通以不同大小的電流時(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。在合成某一位置指向?yàn)?amp;時(shí)， 則
<formula>formula see original document page 4</formula>
(6 )<formula>formula see original document page 4</formula>則
<formula>formula see original document page 4</formula> (7)
^為繞組電流的額定值，&=z^， 0為實(shí)際轉(zhuǎn)過的步距角(0'，0都以整步 平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn))，根據(jù)細(xì)分的要求，得到相應(yīng)的電流值。
步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流的控制，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)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)兩相相鄰繞 組同時(shí)通以不同大小的電流時(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。
參見附圖l所示，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)定義 為起始位"0",則從A相通電變?yōu)锽相通電，磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)了 90° ,這是步 進(jìn)電機(jī)整步運(yùn)行的情況。如果A相、B相同時(shí)通電，且通電電流相同，則合 成矢量方向?yàn)?所示的位置，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)生磁場(chǎng)的大小作為這四分之一圓的半徑(以R表示)，根據(jù)式
(6)和式(7)的關(guān)系，即可算出位置"l"時(shí)的兩分量4-^sin0'， A:^eos0！，
同理可以算出4 =i sin02， ^-i cos02; 43=i sin03， 53=^ 0)303。由于步進(jìn)
電機(jī)的運(yùn)行依賴于電機(jī)內(nèi)部定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的大小又依賴于線 圈繞組中電流I的大小。因此，對(duì)于定子線圈繞組的電流進(jìn)行控制，可以實(shí) 現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)。
電細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分運(yùn)行的關(guān)鍵，常用的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法 有斬波恒流驅(qū)動(dòng)、脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)等。斬波恒流驅(qū)動(dòng)通對(duì)控制電路的輸 出電壓和采樣反饋電路的采樣電壓進(jìn)行比較來控制功率驅(qū)動(dòng)電路供給步進(jìn)電機(jī)定子勵(lì)磁繞組的電流，當(dāng)繞組電流上升時(shí)，由于所加電壓較商，電流上升 較快，采樣電路的電壓輸出代表了電流的大小，當(dāng)電流超過所設(shè)定的值時(shí)， 比較器反轉(zhuǎn)，使得驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)管載止，此時(shí)，磁場(chǎng)能量將使繞組的電 流按原來方向繼續(xù)流動(dòng)，但是電流會(huì)減小，采樣電路的輸出電壓也越來越小， 當(dāng)采樣電路的輸出電壓小于電壓控制單元的輸出電壓時(shí)，比較器再次反轉(zhuǎn)， 使得驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)管導(dǎo)通，電流上升，如此反復(fù)厲害到電流在設(shè)定電流 附近變化。斬波恒流驅(qū)動(dòng)能大大提髙髙頻響應(yīng)，消除電機(jī)能量過剩引起的共 振現(xiàn)象，但斬波恒流驅(qū)動(dòng)的采樣信號(hào)來自反饋電流，放大電路的諧振會(huì)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(dòng)能抑制諧波，減少諧波損耗等危害。但采用脈沖寬度 調(diào)制進(jìn)行細(xì)分時(shí)，電機(jī)繞組始終處于通斷狀態(tài)，通斷的頻率與調(diào)制電壓的頻 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。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，對(duì)額定電壓為12V的電機(jī)，如調(diào)制頻率為10K,其 感應(yīng)電壓的最大值將達(dá)到2V,細(xì)分誤差達(dá)200%。
也就是說，雖然上述技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分，也具有較髙的 細(xì)分?jǐn)?shù)和無積累誤差等特點(diǎn)，但由于勵(lì)磁線圈的互感帶來的誤差，其單步運(yùn) 轉(zhuǎn)的精度較低，這是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的一個(gè)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)較高的 細(xì)分?jǐn)?shù)的同時(shí)，避免勵(lì)磁線圈的互感帶來的誤差，以提高步進(jìn)電機(jī)單步運(yùn)轉(zhuǎn) 的精度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方 法，基于微處理器控制步進(jìn)電機(jī)定子相鄰勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的 步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，采用程控線性直流電源作為勵(lì)磁繞組的供電電源，通過程序控 制勵(lì)磁繞組各相的線性直流電源電壓實(shí)現(xiàn)所述步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明構(gòu)思的要點(diǎn)是，步進(jìn)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組在加載直流電壓的情況 下，可以近似為阻性負(fù)載；所以可以采用調(diào)整加載在定子勵(lì)磁繞組上的直流 電壓，來控制定子勵(lì)磁繞組中的電流，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)。為此，上述技術(shù)方案中，采用了線性直流電源作為定子勵(lì)磁繞組的供 電電源，并通過對(duì)各相的線性直流電源電壓的控制，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分 驅(qū)動(dòng)。其中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為二相混合式步進(jìn)電機(jī)時(shí)，只需要分別對(duì)二相勵(lì)磁 繞組進(jìn)行控制，計(jì)算和控制比較方便；當(dāng)然，本發(fā)明的技術(shù)方案也適用于五 相混合式步進(jìn)電機(jī)。
上述技術(shù)方案中，線性直流電源的控制方法為，單片微機(jī)輸出的數(shù)字信 號(hào)，由至少12位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)，再通過電平轉(zhuǎn)換電 路和功率放大電路轉(zhuǎn)換，獲得與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓相匹配的電壓。
優(yōu)選的技術(shù)方案，所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為16位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。 本發(fā)明的方法可以采用下列電路來實(shí)現(xiàn) 一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路， 主要由微處理器、與步進(jìn)電機(jī)的分組線圈對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，所述驅(qū)動(dòng)模 塊包括與微處理器的數(shù)字輸出接口連接的D/A轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換電路和功率 放大電路，所述功率放大電路的輸出連接至與步進(jìn)電機(jī)分組線圈相連的電連 接器。
上述技術(shù)方案中，微處理器可以采用單片微機(jī)、PLC、或者其它具有編 程控制性能的芯片或者芯片組；電平轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路是現(xiàn)有技術(shù)， 用于將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓相匹配的 電平，并提供足夠的驅(qū)動(dòng)電路。該技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)是，采用了程控線性直 流電源控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而避免了由互感產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，提髙 了細(xì)分的精度。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法中的直流電壓源采用線性直流電源，克服了采 用脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)方法時(shí)由于相鄰兩相之間的互感造成的誤差，也避免了采用 斬波恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，放大電路的諧振會(huì)給控制環(huán)帶來噪聲而引起較大誤差的問 題；實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的電路中，可以選用髙精度的D/A轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)電平轉(zhuǎn) 換后，使加在繞組兩端的電壓值與理論值誤差很小，因此用這種方法實(shí)現(xiàn)細(xì) 分驅(qū)動(dòng)，其每一步的細(xì)分精度商于采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)。
2.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)128微步驅(qū)動(dòng)(步進(jìn)電機(jī)整步距角為1.8° ),實(shí)測(cè)表 明其最大誤差為15%,均方誤差為3.9%。


圖1是步迸電機(jī)電細(xì)分原理示意圖； 圖2是實(shí)施例一中硬件系統(tǒng)原理框圖3是實(shí)施例一中單片微機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的連接電路圖4是實(shí)施例一中程控線性直流電源的原理圖5是實(shí)施例一中128細(xì)分時(shí)一個(gè)整步步距內(nèi)細(xì)分角的變化圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例一 一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，基于微處理器控制步進(jìn)電機(jī)定 子相鄰勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)步迸電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，采用線性直流電源作 為勵(lì)磁繞組的供電電源，通過控制勵(lì)磁繞組各相的線性直流電源電壓實(shí)現(xiàn)所 述步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。
其中，線性直流電源的控制方法為，單片微機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，由至少 12位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)，再通過電平轉(zhuǎn)換電路和功率放大 電路轉(zhuǎn)換，獲得與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓相匹配的電壓。
本實(shí)施例的方法通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，參見附圖2所示，由單片微機(jī)、 與單片微機(jī)的輸出接口連接的D/A轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路構(gòu) 成細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，所述功率放大電路的輸出連接至與步進(jìn)電機(jī)分組線圈相連 的電連接器。
D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率影響細(xì)分?jǐn)?shù)，應(yīng)當(dāng)選用至少12位精度的D/A轉(zhuǎn)換 器，本實(shí)施例中，以12位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX526為例，它具有4個(gè)獨(dú)立的 D/A轉(zhuǎn)換通道，享有獨(dú)立的參考電壓，分辨率為-
根據(jù)電機(jī)的特性，電機(jī)繞組中電流的額定值，確定、f的值。圖3為單 片微機(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，如 LM317等集成穩(wěn)壓電路。其電壓調(diào)整范圍大，外圍電路簡(jiǎn)單，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)載能力和穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)大功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可采用擴(kuò)流方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
本實(shí)施例中，單片微機(jī)選擇89S52,由單片微機(jī)輸出的數(shù)字細(xì)分控制信 號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)化為階梯波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，控制程控可調(diào)線性直 流電源，最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)。 由于輸出的是恒定的電壓，從而避免了脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)帶來的感應(yīng)電壓對(duì) 細(xì)分的影響。另外，因?yàn)檫x用了髙精度的D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，使加在 繞組兩端的電壓值與理論值誤差很小，因此用這種方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，其精 度也遠(yuǎn)高于采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)。
圖4是本實(shí)施例中程控線性直流電源的原理圖。
表1為128細(xì)分時(shí)每步的角度值(以42BYGH型兩相四拍為例，整步 步距為1.8° )。測(cè)量采用光學(xué)自準(zhǔn)的方法，測(cè)試儀器利用自準(zhǔn)直儀和高精度 數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備。圖5為128細(xì)分時(shí)一個(gè)整步步距內(nèi)細(xì)分角的變化圖。
表l 128細(xì)分時(shí)每步的角度值(單位角秒)
步角止 少角步角止 少角步角止 少角步角止 少角步角步角步角
數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度數(shù)度
143135225543752495361537356855397561094712148
2551455265338495054625474518656985311047i2247
35315542756395551546353754787479954丄ll5112345
4471647285240555251645276568853100541124412447
5561755295041465355655577568952101451135312551
6561856305542555447665378539047102491144412643
7501955315343565556674979439150103491154812750
8522053325444545652685580559252104441164612850
95521533348455457556953815593451055111749
105222503454465358527055825394531064911849
115423563554475159527149834795501074611944
125024503654485260557254845196431085012047
由數(shù)據(jù)可知，128細(xì)分時(shí)，最大誤差達(dá)15%，均方誤差為3.9%。這是 由測(cè)量帶來的誤差，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)期位置等諸多因素 引起的。
采用基于微處理器控制的直流電壓驅(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°),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)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，對(duì)額定電壓為12V的步進(jìn)電機(jī)，如調(diào)制頻率為lKHz，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%。
可見，采用本實(shí)施例的直流電壓驅(qū)動(dòng)細(xì)分電路，其誤差明顯減小。
權(quán)利要求
1.一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，基于微處理器控制步進(jìn)電機(jī)定子相鄰勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于采用程控線性直流電源作為勵(lì)磁繞組的供電電源，通過程序控制勵(lì)磁繞組各相的線性直流電源電壓實(shí)現(xiàn)所述步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于線性直 流電源的控制方法為，單片微機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，由至少12位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)，再通過電平轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路轉(zhuǎn)換，獲得 與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓相匹配的電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述數(shù) /模轉(zhuǎn)換器為16位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，基于微處理器控制步進(jìn)電機(jī)定子相鄰勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于采用線性直流電源作為勵(lì)磁繞組的供電電源，通過控制勵(lì)磁繞組各相的線性直流電源電壓實(shí)現(xiàn)所述步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法中的直流電壓源采用線性直流電源，其每一步的細(xì)分精度高于采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02P8/22GK101615879SQ20091018222
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者季晶晶, 鄒麗新, 智 陶, 顧濟(jì)華 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)