基于可控電流源的高精度高細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)
姜杏輝，鄒麗新，孫平，馬勵(lì)行，季晶晶
(蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215006)
摘要：介紹了一種基于可控電流源實(shí)現(xiàn)高精度高細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方法，該方法是在已有驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，用精密可控電流源進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，采用實(shí)驗(yàn)法和最小二乘法相結(jié)合進(jìn)行電流修正，從而補(bǔ)償了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁曲線的非線性，提高了單步細(xì)分運(yùn)行的精度。實(shí)測(cè)結(jié)果證明該細(xì)分方法具有細(xì)分線性好、無(wú)積累誤差、轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于要求微位移的控制系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；可控電流源；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；非線性補(bǔ)償
中圖分類號(hào)：TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0021—04
引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是精密控制系統(tǒng)中重要的執(zhí)行部件，為了實(shí)現(xiàn)高精度定位和微小位移，常采用具有電細(xì)分的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前使用較多的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波恒流驅(qū)動(dòng)與脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)方法[1-2]，雖然斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)均能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分，也具有較高的細(xì)分?jǐn)?shù)和無(wú)積累誤差等特點(diǎn)，但由于勵(lì)磁繞組的互感帶來(lái)的誤差，其細(xì)分的均勻程度即單步運(yùn)轉(zhuǎn)的精度依然是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分的一個(gè)瓶頸。本文介紹的基于可控電流源的高精度高細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法是在已有驅(qū)動(dòng)方法的基礎(chǔ)之上，提出用精密可控電流源進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，使得勵(lì)磁線圈中流經(jīng)的電流為穩(wěn)定的直流，從而提高了單步細(xì)分運(yùn)行的精度，使得細(xì)分運(yùn)行角度達(dá)到了整步運(yùn)行角度的1／512，單步細(xì)分運(yùn)行誤差小于±百分之20。
1電細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過(guò)對(duì)勵(lì)磁繞組電流的控制，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子的合成磁場(chǎng)成為按細(xì)分；步距旋轉(zhuǎn)的均勻磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)i電動(dòng)機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)。以兩相混合式雙線繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，理想狀態(tài)下相應(yīng)繞組的感應(yīng)電壓為：  式中：zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，θe為轉(zhuǎn)子角度，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈ψ與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)變化周期為一個(gè)距齒角2π電弧度。由于混合式步：警進(jìn)電動(dòng)機(jī)所含的諧波分量很小，可以忽略不計(jì)，則：
不計(jì)鐵心飽和的影響，應(yīng)用疊加原理，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相通電時(shí)電磁功率為：
當(dāng)在兩相相鄰繞組同時(shí)通以不同大小的電流時(shí)，各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置為新的平衡位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了細(xì)分。在合成某一位置指響為θe時(shí)，Te=0，則有：
可滿足式(6)兩邊相等，代人式(5)滿足Te=0，即相鄰兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零，電機(jī)到達(dá)新的平衡位置。式(7)中：im為繞組電流的額定值，θe=zrθ,θ為實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的步距角(θe、θ都以整步平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn))，根據(jù)細(xì)分要求，得到相應(yīng)的電流值[3]。
由式(7)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)理論模型可知，只要控制電機(jī)相鄰兩個(gè)勵(lì)磁線圈中通過(guò)電流的變化規(guī)律，使之符合該數(shù)學(xué)模型，就可以形成一個(gè)按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的均勻磁場(chǎng)。然而這個(gè)理論成立的前提是勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)幅度與所加的勵(lì)磁電流嚴(yán)格成線性關(guān)系。然而對(duì)于所有的鐵磁質(zhì)而言都存在著磁飽和現(xiàn)象，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁材料，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)幅度就與所加的勵(lì)磁電流成非線性關(guān)系，式(6)、式(7)中的數(shù)學(xué)模型并不能產(chǎn)生均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[4]，因此要對(duì)其進(jìn)行修正。本文采用實(shí)驗(yàn)法和最小二乘法相結(jié)合進(jìn)行修正。
2電細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路
電細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制構(gòu)成如圖1所示，主要分為細(xì)分信號(hào)產(chǎn)生電路和精密可控電流源兩部分。
細(xì)分信號(hào)產(chǎn)生電路包括FPGA模塊、D／A轉(zhuǎn)換電路和電平調(diào)整部分。FPGA采用AI朋RA公司的cvcloneI系列EPlc6Q240芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘由50 MHz的有源晶振提供，設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用該芯片的內(nèi)部 |
