摘 要 步進電機細分驅(qū)動電路不但可以提高工作平臺的運動平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺的定位精度。試驗表明：步進電機4細分時，電機每步都可以準確定位。 目前自動化設備上的運動平臺大量采用同步帶傳動機構(gòu)，并由步進電機控制其運動的速度和位置。為了使廣大用戶能正確地使用步進電機，我們對步進電機細分倍數(shù)與平臺運動的平穩(wěn)性、定位精度的關(guān)系進行了分析和試驗，得出了一些有價值的結(jié)論。 1. 步進電機細分原理[1] 圖1為兩相步進電機的工作原理示意圖，它有2個繞組A和B。 [align=center] 圖1 步進電機細分原理圖[/align] 當一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照： 這四個狀態(tài)周而復始進行變化，電機可順時針轉(zhuǎn)動；控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉(zhuǎn)動一步，即90度。4個脈沖，電機轉(zhuǎn)動一圈。 細分驅(qū)動器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個步距角細分為多步。當A、B相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在A、B相磁極中間，如圖1.b，d所示。若通電方向順序按照： 這8個狀態(tài)周而復始進行變化，電機順時針轉(zhuǎn)動；電機每轉(zhuǎn)動一步，為45度，8個脈沖電機轉(zhuǎn)一周。與通電順序（1）相比，它的步距角小了一半。 為了保證電機輸出的力矩均勻，A、B相線圈電流的大小也要調(diào)整，使A、B相產(chǎn)生的合力在每個位置相同。圖2所示為電機四細分時，A、B相線圈電流的比例。A、B相線圈電流大小與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖3所示。 [align=center] 圖2 4細分時電機A、B線圈電流在不同角度的分配比例 圖3 電機4細分時，電機電流波形[/align] 從圖3中可以看出，步進電機的相電流是按正弦函數(shù)（如虛線所示）分布的；細分數(shù)越大，相電流越接近正弦曲線。 2. 步進電機細分與電機運動平穩(wěn)性的關(guān)系 圖4、5和6分別為兩相步進電機2細分、8細分和64細分的實測相電流波形。被測步進電機步距角為1.8度，即無細分時每轉(zhuǎn)200步。試驗時，將步進電機轉(zhuǎn)速都設為2 r/s；電機2細分時，電機每轉(zhuǎn)400步，每步周期為1.25ms；電機8細分時，電機每轉(zhuǎn)1600步，每步周期為0.3125ms；電機64細分時，電機每轉(zhuǎn)12800步，每步周期為0.0391ms。 [align=center] 圖4 2細分時，步進電機相電流波形（圖中橫座標每格2.5ms） 圖5 8細分時，步進電機相電流波形（圖中橫座標每格1.0ms） 圖6 64細分時，步進電機相電流波形（圖中橫座標每格1.0ms）[/align] 從圖4、5、6中可看出，步進電機2細分時，電流波形臺階均勻，且電流脈動值很大，其最大值是最大電流的70.7％；步進電機8細分時，電流波形臺階明顯，但電流脈動值較小，其最大值是最大電流的19.5％；步進電機64細分時，電流波形較平滑，電流波形已很難分辨分別出臺階的個數(shù)，最大電流脈動值僅為最大電流的2.45％。 由電磁感應定理知，步進電機輸出力矩和電機線圈的電流成正比，及： 式中KT為電機力矩常數(shù)，它與電機結(jié)構(gòu)、材料、線圈長度等因素有關(guān)。 由此公式就很容易理解：步進電機細分數(shù)越高，電機運轉(zhuǎn)越平穩(wěn)；步進電機細分數(shù)越小，電機運轉(zhuǎn)時振動越大。因為細分數(shù)高時，電流曲線光滑，所以電機輸出力矩也就波動小連續(xù)、電機運行就平穩(wěn)；電機細分數(shù)小，電機電流脈動就大，其輸出力矩脈動就大，因而造成電機較大的振動，該振動并產(chǎn)生噪音乃至其它部件的諧振噪音。 3. 步進電機細分倍數(shù)與定位精度的關(guān)系 為了定量分析步進電機細分數(shù)與運動平臺定位精度之間的關(guān)系，我們在一個同步帶傳動的運動平臺上，進行了多組試驗。 該運動平臺由雷賽57HS22步進電機驅(qū)動，配雷賽MD556細分驅(qū)動器；同步帶輪主動輪周長100mm；工作臺配有分辨率為0．001mm的光柵尺，作為位置檢測裝置。 通過雷泰DMC1410運動控制卡控制工作臺運動，由雷泰ENC7480計數(shù)卡采集光柵尺位置信號，作為分析運動平臺定位精度的數(shù)據(jù)。 圖6、7、8、9分別是步進電機驅(qū)動器2細分、4細分、8細分、16細分條件下，運動平臺單步運動位移量的典型數(shù)據(jù)。所謂單步運動，即控制器每發(fā)一個脈沖后，都延時0.05秒。 [align=center] [/align] 表1是對以上4個試驗的數(shù)據(jù)分析表。從表中可看出：2、4細分時，單步位移的誤差較小，隨著細分數(shù)增加，單步位移的誤差增大。從圖6～圖9中也可以清楚地看出：2、4細分時，數(shù)據(jù)分布較均勻；隨著細分數(shù)增加，數(shù)據(jù)分布離散度增大。 [align=center]表1 試驗數(shù)據(jù)分析 [/align] 運動平臺的位移誤差雖然包含了步進電機細分不均勻、同步帶傳動機構(gòu)誤差、導軌直線度誤差、光柵尺測量誤差等誤差在內(nèi)，但當步進電機為16細分時，平臺的位移誤差明顯增大。這說明：細分數(shù)大于8細分時，步進電機細分的不均勻性有顯著提高。 4. 結(jié)論 步進電機細分驅(qū)動電路不但可以提高工作平臺的運動平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺的定位精度。試驗表明：在同步帶傳動的運動平臺上，步進電機4細分時，電機每步都可以準確定位。 建議在運動控制器輸出的脈沖頻率允許的情況下，盡可能將步進電機驅(qū)動器的細分數(shù)設大些，以提高運動平臺的運動平穩(wěn)性；但運動平臺的定位精度只能按步進電機4細分的脈沖當量計算。 參考文獻 [1] 劉寶廷. 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng). 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.1 作者簡介： 李勁松，深圳市雷泰控制技術(shù)有限公司，工程師。 左 力，深圳市雷泰控制技術(shù)有限公司，高級工程師，工學博士。13823609670