摘 要 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不但可以提高工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺(tái)的定位精度。試驗(yàn)表明：步進(jìn)電機(jī)4細(xì)分時(shí)，電機(jī)每步都可以準(zhǔn)確定位。 目前自動(dòng)化設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)大量采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并由步進(jìn)電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)的速度和位置。為了使廣大用戶能正確地使用步進(jìn)電機(jī)，我們對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分倍數(shù)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、定位精度的關(guān)系進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。 1. 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理[1] 圖1為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有2個(gè)繞組A和B。 [align=center] 圖1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖[/align] 當(dāng)一個(gè)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(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90度。4個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(gè)步距角細(xì)分為多步。當(dāng)A、B相繞組同時(shí)通電時(shí)，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(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，為45度，8個(gè)脈沖電機(jī)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(jī)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(gè)位置相同。圖2所示為電機(jī)四細(xì)分時(shí)，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(xì)分時(shí)電機(jī)A、B線圈電流在不同角度的分配比例 圖3 電機(jī)4細(xì)分時(shí)，電機(jī)電流波形[/align] 從圖3中可以看出，步進(jìn)電機(jī)的相電流是按正弦函數(shù)（如虛線所示）分布的；細(xì)分?jǐn)?shù)越大，相電流越接近正弦曲線。 2. 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分與電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的關(guān)系 圖4、5和6分別為兩相步進(jìn)電機(jī)2細(xì)分、8細(xì)分和64細(xì)分的實(shí)測相電流波形。被測步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8度，即無細(xì)分時(shí)每轉(zhuǎn)200步。試驗(yàn)時(shí)，將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速都設(shè)為2 r/s；電機(jī)2細(xì)分時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)400步，每步周期為1.25ms；電機(jī)8細(xì)分時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)1600步，每步周期為0.3125ms；電機(jī)64細(xì)分時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)12800步，每步周期為0.0391ms。 [align=center] 圖4 2細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相電流波形（圖中橫座標(biāo)每格2.5ms） 圖5 8細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相電流波形（圖中橫座標(biāo)每格1.0ms） 圖6 64細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相電流波形（圖中橫座標(biāo)每格1.0ms）[/align] 從圖4、5、6中可看出，步進(jìn)電機(jī)2細(xì)分時(shí)，電流波形臺(tái)階均勻，且電流脈動(dòng)值很大，其最大值是最大電流的70.7％；步進(jìn)電機(jī)8細(xì)分時(shí)，電流波形臺(tái)階明顯，但電流脈動(dòng)值較小，其最大值是最大電流的19.5％；步進(jìn)電機(jī)64細(xì)分時(shí)，電流波形較平滑，電流波形已很難分辨分別出臺(tái)階的個(gè)數(shù)，最大電流脈動(dòng)值僅為最大電流的2.45％。 由電磁感應(yīng)定理知，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩和電機(jī)線圈的電流成正比，及： 式中KT為電機(jī)力矩常數(shù)，它與電機(jī)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(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)；步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)越小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)越大。因?yàn)榧?xì)分?jǐn)?shù)高時(shí)，電流曲線光滑，所以電機(jī)輸出力矩也就波動(dòng)小連續(xù)、電機(jī)運(yùn)行就平穩(wěn)；電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)小，電機(jī)電流脈動(dòng)就大，其輸出力矩脈動(dòng)就大，因而造成電機(jī)較大的振動(dòng)，該振動(dòng)并產(chǎn)生噪音乃至其它部件的諧振噪音。 3. 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分倍數(shù)與定位精度的關(guān)系 為了定量分析步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度之間的關(guān)系，我們在一個(gè)同步帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，進(jìn)行了多組試驗(yàn)。 該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由雷賽57HS22步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配雷賽MD556細(xì)分驅(qū)動(dòng)器；同步帶輪主動(dòng)輪周長100mm；工作臺(tái)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(yùn)動(dòng)控制卡控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，由雷泰ENC7480計(jì)數(shù)卡采集光柵尺位置信號，作為分析運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的數(shù)據(jù)。 圖6、7、8、9分別是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分條件下，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單步運(yùn)動(dòng)位移量的典型數(shù)據(jù)。所謂單步運(yùn)動(dòng)，即控制器每發(fā)一個(gè)脈沖后，都延時(shí)0.05秒。 [align=center] [/align] 表1是對以上4個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析表。從表中可看出：2、4細(xì)分時(shí)，單步位移的誤差較小，隨著細(xì)分?jǐn)?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(xì)分時(shí)，數(shù)據(jù)分布較均勻；隨著細(xì)分?jǐn)?shù)增加，數(shù)據(jù)分布離散度增大。 [align=center]表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 [/align] 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移誤差雖然包含了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分不均勻、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差、導(dǎo)軌直線度誤差、光柵尺測量誤差等誤差在內(nèi)，但當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為16細(xì)分時(shí)，平臺(tái)的位移誤差明顯增大。這說明：細(xì)分?jǐn)?shù)大于8細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的不均勻性有顯著提高。 4. 結(jié)論 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不但可以提高工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺(tái)的定位精度。試驗(yàn)表明：在同步帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)4細(xì)分時(shí)，電機(jī)每步都可以準(zhǔn)確定位。 建議在運(yùn)動(dòng)控制器輸出的脈沖頻率允許的情況下，盡可能將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)大些，以提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；但運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度只能按步進(jìn)電機(jī)4細(xì)分的脈沖當(dāng)量計(jì)算。 參考文獻(xiàn) [1] 劉寶廷. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng). 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)博士。13823609670