步进电机定位精度与其细分倍数的关系_电子/电路_工程科技_专业资料。很实用的技术资料

　　步进电机细分数对运动平台性能影响的研究 Research of stepping motor’s microstep size effect on the performance of motion stage 深圳市雷泰控制技术有限 李劲松 左 力 摘 要 步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平 台的定位精度。试验表明：步进电机 4 细分时，电机每步都可以准确定位。 目前自动化设上的运动平台大量采用同步带传动机构，并由步进电机控制其运动 的速度和位置。为了使广大用户能正确地使用步进电机，我们对步进电机细分倍数与平 台运动的平稳性、定位精度的关系进行了分析和试验，得出了一些有价值的结论。 1. 步进电机细分原理[1] 图 1 为两相步进电机的工作原理示意图，它有 2 个绕组 A 和 B。 定子 A A 转子 S N B SN B B N S B S SN N A A (a) (b) A A NS SN B B B N S B NS SN A A (c) (d) 图 1 步进电机细分原理图 当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制 脉冲的作用下，通电方向顺序按照： AA ? BB ? A A ? BB (1) 这四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；控制脉冲每作用一次，通电方向就 变化一次，使电机转动一步，即 90 度。4 个脉冲，电机转动一圈。 细分驱动器的原理是通过改变 A，B 相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而 可将一个步距角细分为多步。当 A、B 相绕组同时通电时，转子将停在 A、B 相磁极中间， 如图 1.b，d 所示。若通电方向顺序按照： AA ? AA + BB ? BB ? BB + AA ? AA ? AA + BB ? B B ? BB + AA 这 8 个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为 45 度，8 个脉冲 电机转一周。与通电顺序(1)相比，它的步距角小了一半。 为了保证电机输出的力矩均匀，A、B 相线圈电流的大小也要调整，使 A、B 相 产生的合力在每个位置相同。图 2 所示为电机四细分时，A、B 相线圈电流的比例。A、B 相线圈电流大小与转角关系如图 3 所示。 图 2 4 细分时电机 A、B 线圈电流在不同角度的分配比例 iA 5p 3p 7p 848 p 9p 5p 11p 84 8 0 p p 3p p 84 8 2 3p 13p 7p 15p 28 48 2p q iB 9p 8 5p 11p 48 3p 13p 7p 15p 2 8 48 2p 0 pp 84 3p 8 p 5p 3p 7p 28 4 8 p q 图 3 电机 4 细分时，电机电流波形 从图 3 中可以看出，步进电机的相电流是按正弦函数（如虚线所示）分布的；细分 数越大，相电流越接近正弦曲线. 步进电机细分与电机运动平稳性的关系 图 4、5 和 6 分别为两相步进电机 2 细分、8 细分和 64 细分的实测相电流波形。被 测步进电机步距角为 1.8 度，即无细分时每转 200 步。试验时，将步进电机转速都设为 2 r/s；电机 2 细分时，电机每转 步，每步周期为 1.25ms；电机 8 细分时，电机每 转 1600 步，每步周期为 0.3125ms；电机 64 细分时，电机每转 12800 步，每步周期为 0.0391ms。 图 1.9 A、B 线圈电流大小与角度的关系 图 4 2 细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格 2.5ms） 图 5 8 细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格 1.0ms） 图 6 64 细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格 1.0ms） 从图 4、5、6 中可看出，步进电机 2 细分时，电流波形台阶均匀，且电流脉动值很 大，其值是电流的 70.7％；步进电机 8 细分时，电流波形台阶明显，但电流脉 动值较小，其值是电流的 19.5％；步进电机 64 细分时，电流波形较平滑，电 流波形已很难分辨分别出台阶的个数，电流脉动值仅为电流的 2.45％。 由电磁感应定理知，步进电机输出力矩和电机线圈的电流成正比，及： T ＝ KT × i 式中 KT 为电机力矩常数，它与电机结构、材料、线圈长度等因素有关。 由此公式就很容易理解：步进电机细分数越高，电机运转越平稳；步进电机细分数 越小，电机运转时振动越大。因为细分数高时，电流曲线光滑，所以电机输出力矩也就 波动小连续、电机运行就平稳；电机细分数小，电机电流脉动就大，其输出力矩脉动就 大，因而造成电机较大的振动，该振动并产生噪音乃至其它部件的谐振噪音。 3. 步进电机细分倍数与定位精度的关系 为了定量分析步进电机细分数与运动平台定位精度之间的关系，我们在一个同步带 传动的运动平台上，进行了多组试验。 该运动平台由雷赛 57HS22 步进电机驱动，配雷赛 MD556 细分驱动器；同步带轮 主动轮周长 100mm；工作台配有分辨率为 0．001mm 的光栅尺，作为位置检测装置。 通过雷泰 DMC1410 运动控制卡控制工作台运动，由雷泰 ENC7480 计数卡采集光 栅尺位置信号，作为分析运动平台定位精度的数据。 图 6、7、8、9 分别是步进电机驱动器 2 细分、4 细分、8 细分、16 细分条件下， 运动平台单步运动位移量的典型数据。所谓单步运动，即控制器每发一个脉冲后，都延 时 0.05 秒。 图 6 步进电机 2 细分、运动平台单步运动时每步的位移量 图 7 步进电机 4 细分、运动平台单步运动时每步的位移量 图 8 步进电机 8 细分、运动平台单步运动时每步的位移量 图 9 步进电机 16 细分、运动平台单步运动时每步的位移量 表 1 是对以上 4 个试验的数据分析表。从表中可看出：2、4 细分时，单步位移的 误差较小，随着细分数增加，单步位移的误差增大。从图 6～图 9 中也可以清楚地看出： 2、4 细分时，数据分布较均匀；随着细分数增加，数据分布离散度增大。 细分数 2 4 8 16 脉冲当量 mm 0.25 0.125 0.0625 0.03125 单步小 值 mm 0.191 0.095 0.046 0.016 表 1 试验数据分析 单步 正 负 值 mm 误差 mm 误差 mm 0.313 0.059 0.063 0.157 0.03 0.032 0.082 0.0165 0.0195 0.045 0.0155 0.0135 正误 差率％ 23.6 24.0 26.4 49.2 负误 差率％ 25.2 25.6 31.2 42.9 运动平台的位移误差虽然包含了步进电机细分不均匀、同步带传动机构误差、导轨 直线度误差、光栅尺测量误差等误差在内，但当步进电机为 16 细分时，平台的位移误 差明显增大。这说明：细分数大于 8 细分时，步进电机细分的不均匀性有显著提高。 4. 结论 步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高 工作平台的定位精度。试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电机 4 细分时，电 机每步都可以准确定位。 建议在运动控制器输出的脉冲频率允许的情况下，尽可能将步进电机驱动器的细分 数设大些，以提高运动平台的运动平稳性；但运动平台的定位精度只能按步进电机 4 细 分的脉冲当量计算。 参考文献 [1] 刘宝廷. 步进电动机及其驱动控制系统. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.1 作者简介： 李劲松，深圳市雷泰控制技术有限，工程师。 左 力，深圳市雷泰控制技术有限，高级工程师，工学博士。
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