采用具有電細(xì)分的步時電機(jī)驅(qū)動技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精密控制系統(tǒng)中高精度的位移。基于單片機(jī)的直流電壓控制的電細(xì)分驅(qū)動技術(shù),避免了繞組互感帶來的誤差,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,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%。
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)動技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)具有控制簡單、無積累誤差等優(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(jī)直流電壓控制的電細(xì)分驅(qū)動方式,則具有線路簡單、細(xì)分精度高的特點(diǎn)。
1、 電細(xì)分驅(qū)動的原理
步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分驅(qū)動是通過對電機(jī)勵磁繞組電流進(jìn)行控制,使步進(jìn)電機(jī)定子的合成磁場成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的磁場,從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(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(jìn)電機(jī)整步運(yùn)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?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(jī)的運(yùn)行依賴于電機(jī)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(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。
2 、細(xì)分驅(qū)動控制電路
細(xì)分驅(qū)動控制技術(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(jī)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(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,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(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(jìn)電機(jī)的相電壓,實(shí)現(xiàn)細(xì)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(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(jī)的負(fù)載能力和運(yùn)行平穩(wěn)。
3 、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(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)分步距角的測量與實(shí)測數(shù)據(jù)
為了進(jìn)一步了解細(xì)分精度,對細(xì)分步距角進(jìn)行了測量。這里采用光學(xué)自準(zhǔn)方法對電機(jī)的角位移進(jìn)行測量,測試儀器使用自準(zhǔn)直儀和高精度數(shù)顯轉(zhuǎn)臺等設(shè)備。圖5為實(shí)現(xiàn)128細(xì)分時一個整步步距內(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)測數(shù)據(jù)分析可知,實(shí)現(xiàn)128細(xì)分時,最大誤差達(dá)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(dǎo)致氣隙磁場偏離預(yù)期位置引起的。
采用基于單片機(jī)控制直流電壓驅(qū)動的細(xì)分方法,可實(shí)現(xiàn)128微步驅(qū)動(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)動的方法,經(jīng)實(shí)際測試,對額定電壓為12V的步進(jìn)電機(jī),當(dāng)調(diào)制頻率為1kHz時,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,雖然感應(yīng)電壓變小,但電機(jī)出現(xiàn)振動。另外,采用斬波恒流驅(qū)動的電細(xì)分方法,誤差也在30%~40%。而采用本文介紹的直流電壓驅(qū)動細(xì)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(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)動技術(shù)成功地運(yùn)用在同步輻射三維調(diào)整滑臺的控制系統(tǒng)中。
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