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(duì)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。
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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(chǎng),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:
(1)
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(chǎng)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。
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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(cè)相電流波形。被測(cè)步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8度,即無(wú)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。
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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:
T = K[sub]T[/sub] × i
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(zhǎng)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?cè)谝粋€(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(zhǎng)100mm;工作臺(tái)配有分辨率為0.001mm的光柵尺,作為位置檢測(cè)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(hào),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。
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表1是對(duì)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
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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(cè)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(jiǎn)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(jí)工程師,工學(xué)博士。13823609670