步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分精度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>

2015-03-12 09:23:52羅東輝

微特電機(jī)訂閱 2015年6期 收藏

關(guān)鍵詞：步距細(xì)分繞組

羅東輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為開(kāi)環(huán)位置和速度伺服驅(qū)動(dòng)元件，具有使用方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前在很多運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合依然采用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方式。但由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的固有特性，因此在應(yīng)用中通常存在以下兩個(gè)問(wèn)題:

(1)由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩脈動(dòng)較大，因此在運(yùn)行過(guò)程中尤其是在低頻運(yùn)行時(shí)存在著較大的振動(dòng)和噪聲;

(2)由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加工原因，一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角都比較大，二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的整步步距角一般為0.9°和1.8°，因此在一些場(chǎng)合滿足不了定位分辨率的要求。

為了解決上述這兩個(gè)問(wèn)題，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式上大多采用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)(國(guó)外稱為微步驅(qū)動(dòng)microstep drive)的方法，細(xì)分驅(qū)動(dòng)是一種增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性、提高定位分辨率的有效方法。

本文通過(guò)對(duì)二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在細(xì)分運(yùn)行時(shí)的步距均勻性的分析，給出了對(duì)步矩角細(xì)分精度的自動(dòng)補(bǔ)償方法，從86BH001 型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償后步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分步矩角精度得到了很大提高。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分精度分析及補(bǔ)償方法

二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單模型如圖1 所示，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí)，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩:

式中:θ 為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度，i 為繞組中通過(guò)的電流。假設(shè):

(1)電機(jī)磁路為線性，即T =k1i;k1為力矩系數(shù)。

(2)矩角特性為正弦型，即T=TMsinθ;TM為最大轉(zhuǎn)矩;θ 為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。

圖1 二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單模型

這時(shí)當(dāng)電機(jī)二相繞組通以正交的正弦波電流，即:

Im為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的最大電流時(shí)，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可表達(dá)成:

根據(jù)電機(jī)的向量時(shí)空?qǐng)D，如圖2 所示，式(1)、式(2)可寫成:

式中:K=k1TM。

圖2 向量時(shí)空?qǐng)D

因此電機(jī)的合成輸出轉(zhuǎn)矩T = Ta+ Tb= KIm?？梢?jiàn)，當(dāng)二相繞組通以正交的正弦電流時(shí)，對(duì)于理想的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)矩為恒定值，如果將正弦電流等分量化后(量化后的正弦波稱之為擬正弦波)，則能夠得到均勻的細(xì)分步距角。

但是，對(duì)于通常的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)的矩角特性并非為理想的正弦型和電機(jī)磁路的飽和造成的電機(jī)磁路非線性，因此當(dāng)二相繞組通以正交擬正弦電流時(shí)，細(xì)分步距角的精度將會(huì)變差。實(shí)測(cè)86BH001 型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)二相繞組通以16 細(xì)分量化的正交擬正弦波電流時(shí)的細(xì)分步矩角與細(xì)分步數(shù)之間的關(guān)系如圖2 所示，與理論值相比，其最大誤差達(dá)0.216 5°，而理想的細(xì)分步距角為0.112 5°。

由此可見(jiàn)，當(dāng)直接通以擬正弦波電流時(shí)細(xì)分步矩角誤差相當(dāng)大。如果想得到均勻的細(xì)分步距角就必須對(duì)圖3 中的曲線進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分角度測(cè)試曲線

對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分電路進(jìn)行電流補(bǔ)償，一般采用先在步距角測(cè)量?jī)x上測(cè)出二相繞組通以細(xì)分量化的正交電流時(shí)的細(xì)分步距角與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械位置角之間的關(guān)系，再利用插值的方法對(duì)其誤差進(jìn)行補(bǔ)償。插值的方法有很多種，如諾頓插值、線性插值等等。實(shí)驗(yàn)表明，在對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值時(shí)，采用線性插值即可得到滿意的結(jié)果。

設(shè)θ 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的整步步距角，N 為細(xì)分?jǐn)?shù)。對(duì)于N 細(xì)分時(shí)每一細(xì)分步的擬正余弦電流值可表示:

式中:x=1，2，…，N;Im為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的最大電流。

通過(guò)試驗(yàn)而測(cè)得的一組實(shí)際細(xì)分步距角為θ'

2 細(xì)分電路電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)際實(shí)現(xiàn)

由以上討論可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分，必須在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的二相繞組中通以補(bǔ)償后的擬正弦波電流。目前，國(guó)內(nèi)外有很多集成電路生產(chǎn)廠家均推出了系列的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分專用驅(qū)動(dòng)芯片，如海華博遠(yuǎn)、TI、ALLEGRO、ONSEMI、TOSHIBA 等公司均提供集成的此類芯片。這類芯片外圍電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，但是都存在一個(gè)共同的缺陷:它們都通過(guò)采用在電機(jī)繞組中通以擬正余弦電流來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，對(duì)于專為細(xì)分運(yùn)行設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)講，這種電流波形在驅(qū)動(dòng)時(shí)能得到較高的細(xì)分精度，但是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)通用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的細(xì)分角度誤差，影響了步進(jìn)運(yùn)行的均勻性，而采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分專用驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，要對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流進(jìn)行補(bǔ)償比較困難。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微處理器的功能越來(lái)越豐富、性能越來(lái)越提高、價(jià)格越來(lái)越便宜，采用嵌入式微處理器為核心設(shè)計(jì)的二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以方便地進(jìn)行細(xì)分電流的自動(dòng)補(bǔ)償，其電路框圖如圖4 所示。其中嵌入式微處理器采用ST公司的M3 系列的ARM 處理器STM32F103，橋式功率放大器采用八只分立的VMOS 管IRF540 組成二個(gè)H 橋，VMOS 管的驅(qū)動(dòng)由IR2104 來(lái)完成。

圖4 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)框圖

3 細(xì)分電路電流的自動(dòng)補(bǔ)償方法和試驗(yàn)結(jié)果

采用上述測(cè)出二相繞組通以細(xì)分量化的正交電流時(shí)的細(xì)分步距角與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械位置角之間的關(guān)系，然后進(jìn)行插補(bǔ)求出補(bǔ)償后的電流值，再寫入程序中進(jìn)行校驗(yàn)的方法比較繁瑣，工作量較大。

針對(duì)這種情況，本文給出了一種細(xì)分電流的自動(dòng)補(bǔ)償辦法，試驗(yàn)裝置安裝示意圖如圖5 所示。試驗(yàn)時(shí)用聯(lián)軸器將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與編碼器連接在一起，安裝時(shí)盡量保證電機(jī)和編碼器的同軸性。其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用圖4 所示的驅(qū)動(dòng)器;步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為與圖3 測(cè)試時(shí)所用同一電機(jī)，整步步距角為1.8°;編碼器采用增量式光電編碼器，型號(hào)為RI40K/35CQ，每圈脈沖數(shù)40 000，經(jīng)微處理器STM32F103內(nèi)部四倍頻后分辨率可達(dá)8.1″。

圖5 試驗(yàn)裝置安裝示意圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分自動(dòng)補(bǔ)償?shù)能浖驁D如圖6 所示。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置補(bǔ)償精度為0.012 5°、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為16。上電后，首先在電機(jī)二相繞組中通以16 細(xì)分量化的正交電流，每一細(xì)分步時(shí)單片機(jī)均讀取相對(duì)應(yīng)的細(xì)分步距角，測(cè)出一組16 個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分步距的數(shù)值，然后對(duì)細(xì)分電流進(jìn)行插值求出細(xì)分電流的補(bǔ)償值，然后使用補(bǔ)償后的細(xì)分電流值再一次測(cè)量細(xì)分精度，如果補(bǔ)償后精度達(dá)不到要求，則對(duì)補(bǔ)償后的細(xì)分電流數(shù)值再次進(jìn)行插值補(bǔ)償，直至達(dá)到所期望的精度。

圖6 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)能浖驁D

補(bǔ)償后，采用日本小野公司的AP -370 測(cè)角儀和AM-610 信號(hào)處理器對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償后的步距角精度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示補(bǔ)償后的最大細(xì)分誤差為0.011 5°。補(bǔ)償后的步距角和理論步距角對(duì)照如圖7 所示，與圖1 相比，自動(dòng)補(bǔ)償后的細(xì)分步距角精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。補(bǔ)償后的繞組電流和理論電流對(duì)照如圖8 所示。

圖7 補(bǔ)償后的步距角和理論步距角對(duì)比

圖8 補(bǔ)償后的實(shí)際電流和理論電流對(duì)照

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于二相雙極型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分，由于不同的電機(jī)T/I 曲線的不同，因此需要采用不同的細(xì)分電流曲線來(lái)對(duì)其步距角進(jìn)行細(xì)分。而試驗(yàn)表明，對(duì)于同一廠家的同一型號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其補(bǔ)償值基本相同，因此，在這種情況下只需要對(duì)一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償即可滿足要求。

采用可編程驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償使得對(duì)細(xì)分電流的修正變得十分方便，在不增加硬件電路成本的情況下，大大減小了細(xì)分補(bǔ)償?shù)墓ぷ髁?，提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性價(jià)比。

［1］ 王季秩，曲家騏. 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］ 坂本正文. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.王自強(qiáng)，譯.北京:科學(xué)出版社，2010.

［3］ Driving bipolar stepper motors using a medium-density STM32 -F103xx micro_controller［EB/OL］.http://www.st.com/st-web- ui/static/active/en/resource/technical/document/application _note/CD00207733.pdf.

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