步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行精度分析及細(xì)分電路的合理使用
| l 引言 步進(jìn)電機(jī)能方便地進(jìn)行速度與角度控制，使其在現(xiàn)代自動(dòng)控制方面占有越來越重要的地位。即使在開環(huán)狀態(tài)下，它也能實(shí)現(xiàn)較高精度的位置控制。然而，步進(jìn)電機(jī)在使用時(shí)，其可控角是以步為單位的，也就是說，角度是跳躍式變化的；而且由于受到加工工藝的影響，一個(gè)步長(zhǎng)一般在1度左右，每個(gè)步長(zhǎng)也并非完全相等，因而在精度要求較高的場(chǎng)合，就要求對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角誤差有一定的認(rèn)識(shí)，以及采取相應(yīng)的提高精度的措施。 2誤差的分類 在步進(jìn)電機(jī)的使用中，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差可以分成兩大類，一類與步進(jìn)電機(jī)直接有關(guān)；而另外一類不僅與步進(jìn)電機(jī)本身有關(guān)，還與驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)。 2.1不積累誤差 不積累誤差也叫靜態(tài)步距角誤差，指在空載條件下，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行角度與理論運(yùn)行角度之間的差別。為了分析方便，在不積累誤差中不考慮摩擦力的影響，它與驅(qū)動(dòng)電流也沒有任何關(guān)系。對(duì)于一個(gè)質(zhì)量較高的電機(jī)，這個(gè)誤差一般在57左右。 不同步進(jìn)電機(jī)的不積累誤差也是不同的。對(duì)于一個(gè)特定的電機(jī)而言，其不積累誤差一般是固定的。原理上可以通過預(yù)先測(cè)量這些誤差，然后通過一定的補(bǔ)償，以提高精度。但實(shí)際上．必須時(shí)刻知道步進(jìn)電機(jī)的確切運(yùn)行位置（也就是運(yùn)行到哪一步），而要得到這個(gè)信息，有兩個(gè)手段，一是通過其它位置傳感器測(cè)知這個(gè)位置；一是設(shè)置一記憶電路，能時(shí)刻記住步進(jìn)電機(jī)的位置。然而這樣做的結(jié)果是增大了電路的復(fù)雜性。 由于加工上的原因，步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行整拍時(shí)相互之間的角度間隔誤差保持較小的值，因此在要求較高步距精度的時(shí)候，可以考慮采用整拍運(yùn)行方式。 步進(jìn)電機(jī)在整轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)其不積累誤差理論上永遠(yuǎn)為零，因此在高精度驅(qū)動(dòng)中，可以考慮采用整轉(zhuǎn)運(yùn)行方案。此時(shí)，失調(diào)角誤差或回滯誤差是最大的誤差源。2.2失調(diào)角誤差 失調(diào)角誤差也叫負(fù)載角誤差，指步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的條件下，為了產(chǎn)生一定的負(fù)載力矩，步進(jìn)電機(jī)需產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)角θ。根據(jù)理論計(jì)算，對(duì)于一個(gè)步距角為1.5度的三相步進(jìn)電機(jī)，由于負(fù)載力矩丁而引起的角度變化為：可見，為了得到較高的精度，則必須驅(qū)動(dòng)較低的負(fù)載。2.3回滯誤差 如果加在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載力矩改變方向，則所產(chǎn)生的失調(diào)角與原來的相反。因此，即使負(fù)載保持絕對(duì)恒定（包括摩擦力），并假設(shè)電機(jī)無任何不積累誤差，那么由于電機(jī)可能的正、反方向運(yùn)行，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的角度誤差。 為了消除回滯誤差而提高精度，反向驅(qū)動(dòng)時(shí)，可多運(yùn)行一定的步數(shù)，然后返回，使負(fù)載力矩保持一個(gè)方向。2.4重復(fù)誤差 在負(fù)載絕對(duì)恒定的條件下，步進(jìn)電機(jī)朝原來運(yùn)動(dòng)方向的反方向運(yùn)轉(zhuǎn)”步后再前進(jìn)行步，它的起始位置與終止位置有差別。這個(gè)誤差的來源比較復(fù)雜。_般在幾角秒之內(nèi)，典型值為±0. 0014。。因此，在大多數(shù)場(chǎng)合下是可以忽略不計(jì)的。3通電狀態(tài)對(duì)誤差的影響 單相通電狀態(tài)比雙相（多相）通電狀態(tài)的精度要高一些。這主要是由于多相通電時(shí)空載步距角將與兩相繞組中的電流比有關(guān)，改變每一相電流的大小都將影響到步距角精度。在無穩(wěn)流電路的情況下，這個(gè)變化有可能是相當(dāng)大的。 以三相步進(jìn)電機(jī)為例。附圖中，設(shè)由A，B兩相通電所產(chǎn)生的力矩分別為TA、Tu，則有： 然而，對(duì)于單相通電，在負(fù)載為零的情況下，轉(zhuǎn)子的定位位置與電流的大小無關(guān)。4細(xì)分引起的誤差 步進(jìn)電機(jī)的步距角一般在1度左右，有時(shí)需要比這個(gè)值小得多的步距角，可采用細(xì)分技術(shù)。采用細(xì)分技術(shù)只能提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，并沒有提高其精度。 對(duì)于一般的驅(qū)動(dòng)電路，細(xì)分后還會(huì)帶來一些誤差。這些誤差主要與驅(qū)動(dòng)電源有關(guān)。4.1電壓失調(diào)誤差 對(duì)于細(xì)分控制的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)把一相繞組中的電流關(guān)斷時(shí)，繞組中的電流理論上應(yīng)為零值。然而，對(duì)于具有電流反饋環(huán)的驅(qū)動(dòng)電路，由于放大電路的失調(diào)，繞組中實(shí)際通過的電流波形是有一定區(qū)別的。當(dāng)控制輸入為零時(shí)，實(shí)際輸出可能并非為零，在這個(gè)電流的作用下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)角。達(dá)種失調(diào)角在用普通驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)時(shí)也是存在的，只是較小而已。因此，對(duì)于精密驅(qū)動(dòng)，應(yīng)該設(shè)置失調(diào)電壓調(diào)整裝置，以使失調(diào)電流盡可能小。4.2電流增益誤差 在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，靜態(tài)失調(diào)角是負(fù)載力矩與最大轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，也就是負(fù)載力矩與相電流的函數(shù)。因此，當(dāng)各相電流增益不同時(shí)，所產(chǎn)生的靜態(tài)失調(diào)角也將隨著角度的變化而變化。因此，保持恒定的電流增益是提高驅(qū)動(dòng)精度的一種手段。值得注意的是，由于電機(jī)電樞繞組參數(shù)可能相互之間有一定的差別，因此這里所提的增益恒定是一個(gè)綜合性指標(biāo)。 電流增益誤差對(duì)微動(dòng)步距角誤差的影響比較大。小的電流增益誤差可以改善微動(dòng)步距角誤差。 失調(diào)角誤差、電流增益誤差等還會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性有一定的影響，帶來一定程度的共振。在實(shí)際使用時(shí)，也可以利用這一性質(zhì)來調(diào)節(jié)失調(diào)電壓及電流。保證電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間都能最平穩(wěn)的工作，也反映了上述誤差已減至最小。4.3微動(dòng)角誤差 通過細(xì)分可以提高步距分辨率。理論上若把一步細(xì)分成n等分，則步距角可以減小到原來的以分之一。實(shí)際上，根據(jù)電機(jī)制造工藝、細(xì)分電路的不同，實(shí)際微步步距并非等分，可能有很大的差別。在具有反饋環(huán)的控制系統(tǒng)中，要充分考慮這種不均勻性，以免引起系統(tǒng)的振蕩。 細(xì)分電路主要用在步進(jìn)電機(jī)的低速運(yùn)行場(chǎng)合，以提高其運(yùn)行特性，或者用在具有角度反饋環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以提高精度。采用細(xì)分電路后，無疑使步進(jìn)電機(jī)的低速運(yùn)行特性或在共振頗率附近的運(yùn)行特性得到提高，而在開環(huán)系統(tǒng)中使用這一技術(shù)的最大理由就是提高步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性，而并非是為了提高其精度。另外，這種電路也無疑限制了電機(jī)的高速運(yùn)行。 在開環(huán)系統(tǒng)中，細(xì)分技術(shù)并沒有提高精度，由于步進(jìn)電機(jī)的整步不積累誤差是不變的，因而無論怎樣細(xì)分，最后的精度是受這個(gè)誤差限制的。對(duì)于一個(gè)步距精度為5’的電機(jī)，即使采用細(xì)分，其定位精度最好時(shí)也只能是5。 采用細(xì)分后，對(duì)兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流波形為正余弦形；而對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，理想的驅(qū)動(dòng)電流波形為一諧波較少的階梯波。合適的細(xì)分波形不但可以提高角度分辨率，而且可以提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性。5結(jié)語 在現(xiàn)代的一些精密位置控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠地工作，對(duì)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的角度誤差來源應(yīng)有一定的認(rèn)識(shí)。單方面追求小的不積累誤差并不能從實(shí)質(zhì)上提高系統(tǒng)的精度，只能提高成本，因?yàn)橥ㄟ^文中的分析可以看到，可能一個(gè)較小的負(fù)載力矩就會(huì)產(chǎn)生與之相當(dāng)?shù)慕嵌日`差。在一些場(chǎng)合，技巧也是特別重要的。單相通電方式、整步運(yùn)行方式、整轉(zhuǎn)運(yùn)行方式等都能在一定程度上改善其精度。 細(xì)分能夠提供高于步距角大得多的分辨率，然而在開環(huán)控制中，很難得到寫之相應(yīng)的精度。這時(shí)之所以要使用細(xì)分，完全是為了提高其低頻運(yùn)行特性（由于速度上的原因，在高頻時(shí)很少采用）。為了得到具有分辨率水平的精度，必須采用匹配精度的位置傳感器，組成一閉環(huán)系統(tǒng)，這無疑增加了電路的復(fù)雜性，也降低了可靠性。 |
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