CN101615879A - 步进电机细分驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，其特征在于：采用线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。本发明的细分驱动方法中的直流电压源采用线性直流电源，其每一步的细分精度高于采用斩波恒流驱动和脉宽调制驱动。

Description

步进电机细分驱动方法

技术领域

本发明涉及一种步进电机，具体涉及一种步进电机的细分驱动方法。

背景技术

在高精度微位移控制系统中，常采用步进电机电细分驱动技术，它可有效改善步进电机的低频特性，实现高精度的定位和微小位移。

步进电机的细分驱动是通过对电机励磁绕组电流的控制，使步进电机定子相邻励磁绕组的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，带动转子转动，从而实现步进电机按细分后的步距角转动。

以两相混合式双线绕组步进电机为例，理想状态下，相应绕组的感应电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=\frac{{\∂\mathrm{\Ψ}}_a}{{\∂\mathrm{\θ}}_e}\frac{d{\mathrm{\θ}}_e}{\mathrm{dt}}=z_r{\mathrm{\ω}}_r\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}_a}{{\∂\mathrm{\θ}}_e}\\ u_b=\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}_b}{{\∂\mathrm{\θ}}_e}\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}=z_r{\mathrm{\ω}}_r\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}_b}{{\∂\mathrm{\θ}}_e}\end{array}\right.---\left(1\right)$

z_r为转子齿数，ω_r转子角速度，θ_e转子电角度，转子永磁体产生的磁链Ψ与转子的位置角有关，变化周期为一个距齿角2π电弧度。由于混合式步进电机所含的谐波分量很小，可以忽略不计，则：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_a={\mathrm{\Ψ}}_m\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ {\mathrm{\Ψ}}_b={\mathrm{\Ψ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=-k_{\mathrm{eo}}{\mathrm{\ω}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_e\\ u_b=k_{\mathrm{eo}}{\mathrm{\ω}}_r\cos {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right.,k_{\mathrm{eo}}=z_r{\mathrm{\ψ}}_m---\left(3\right)$

不计铁芯饱和的影响，应用叠加原理，两相混合式步进电机两相通电时，电磁功率为：

p_e＝i_au_a+i_bu_b    (4)

电磁转矩为：

$T_e=\frac{P_e}{{\text{\ω}}_r}=-k_{\mathrm{eo}}{i}_a\sin {\mathrm{\θ}}_e+k_{\mathrm{eo}}{i}_b\cos {\mathrm{\θ}}_e---\left(5\right)$

当在两相相邻绕组同时通以不同大小的电流时，各相产生的转矩之和为零的位置为新的平衡位置，这样就实现了细分。在合成某一位置指向为θ_e时，则：

i_asinθ_e＝i_bcosθ_e    (6)

设i_a＝i_mcosθ_e，则：

i_b＝i_msinθ_e    (7)

i_m为绕组电流的额定值，θ_e＝z_rθ，θ为实际转过的步距角(θ_e，θ都以整步平衡位置为坐标原点)，根据细分的要求，得到相应的电流值。

步进电机的电细分驱动是通过对电机励磁绕组电流的控制，使步进电机定子的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，带动转子转动。当两相相邻绕组同时通以不同大小的电流时，各相产生的转矩之和为零的位置为新的平衡位置，这样就实现了细分。

参见附图1所示，步进电机电细分驱动的原理，如果将A相通电时定义为起始位“0”，则从A相通电变为B相通电，磁场方向旋转了90°，这是步进电机整步运行的情况。如果A相、B相同时通电，且通电电流相同，则合成矢量方向为2所示的位置，这是步进电机半步运行的情况。若以A相或B相单独通电时产生磁场的大小作为这四分之一圆的半径(以R表示)，根据式(6)和式(7)的关系，即可算出位置“1”时的两分量A₁＝Rsinθ₁，B₁＝Rcosθ₁，同理可以算出A₂＝Rsinθ₂，B₂＝Rcosθ₂；A₃＝Rsinθ₃，B₃＝Rcosθ₃。由于步进电机的运行依赖于电机内部定子绕组产生的磁场，而磁场的大小又依赖于线圈绕组中电流I的大小。因此，对于定子线圈绕组的电流进行控制，可以实现步进电机按细分后的步距角转动。

电细分驱动控制技术是步进电机细分运行的关键，常用的细分驱动方法有：斩波恒流驱动、脉冲宽度调制驱动等。斩波恒流驱动通对控制电路的输出电压和采样反馈电路的采样电压进行比较来控制功率驱动电路供给步进电机定子励磁绕组的电流，当绕组电流上升时，由于所加电压较高，电流上升较快，采样电路的电压输出代表了电流的大小，当电流超过所设定的值时，比较器反转，使得驱动电路中的开关管载止，此时，磁场能量将使绕组的电流按原来方向继续流动，但是电流会减小，采样电路的输出电压也越来越小，当采样电路的输出电压小于电压控制单元的输出电压时，比较器再次反转，使得驱动电路中的开关管导通，电流上升，如此反复厉害到电流在设定电流附近变化。斩波恒流驱动能大大提高高频响应，消除电机能量过剩引起的共振现象，但斩波恒流驱动的采样信号来自反馈电流，放大电路的谐振会给控制环带来噪声，引起较大的误差。

脉冲宽度调制驱动能抑制谐波，减少谐波损耗等危害。但采用脉冲宽度调制进行细分时，电机绕组始终处于通断状态，通断的频率与调制电压的频率一致，当某一相通电流时与之相邻的相便会产生感应电压，感应电压的大小与调制电压的频率等参数有关，这样就叠加了一个附加磁场，严重影响了细分精度。经实际测试，对额定电压为12V的电机，如调制频率为10K，其感应电压的最大值将达到2V，细分误差达200％。

也就是说，虽然上述技术方案能够实现步进电机的细分，也具有较高的细分数和无积累误差等特点，但由于励磁线圈的互感带来的误差，其单步运转的精度较低，这是步进电机细分的一个瓶颈。

发明内容

本发明目的是提供一种步进电机细分驱动方法，在实现步进电机较高的细分数的同时，避免励磁线圈的互感带来的误差，以提高步进电机单步运转的精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，采用程控线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过程序控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。

本发明构思的要点是，步进电机的定子励磁绕组在加载直流电压的情况下，可以近似为阻性负载；所以可以采用调整加载在定子励磁绕组上的直流电压，来控制定子励磁绕组中的电流，从而实现步进电机按细分后的步距角转动。为此，上述技术方案中，采用了线性直流电源作为定子励磁绕组的供电电源，并通过对各相的线性直流电源电压的控制，来实现步进电机的细分驱动。其中，当步进电机为二相混合式步进电机时，只需要分别对二相励磁绕组进行控制，计算和控制比较方便；当然，本发明的技术方案也适用于五相混合式步进电机。

上述技术方案中，线性直流电源的控制方法为，单片微机输出的数字信号，由至少12位的数/模转换器转换成模拟量电压信号，再通过电平转换电路和功率放大电路转换，获得与电机的驱动电压相匹配的电压。

优选的技术方案，所述数/模转换器为16位数/模转换器。

本发明的方法可以采用下列电路来实现：一种步进电机细分驱动电路，主要由微处理器、与步进电机的分组线圈对应的驱动模块构成，所述驱动模块包括与微处理器的数字输出接口连接的D/A转换器、电平转换电路和功率放大电路，所述功率放大电路的输出连接至与步进电机分组线圈相连的电连接器。

上述技术方案中，微处理器可以采用单片微机、PLC、或者其它具有编程控制性能的芯片或者芯片组；电平转换电路和功率放大电路是现有技术，用于将D/A转换器输出的模拟量电压信号转换成与电机的驱动电压相匹配的电平，并提供足够的驱动电路。该技术的关键创新点是，采用了程控线性直流电源控制步进电机的励磁电流，从而避免了由互感产生的附加磁场，提高了细分的精度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明的细分驱动方法中的直流电压源采用线性直流电源，克服了采用脉宽调制驱动方法时由于相邻两相之间的互感造成的误差，也避免了采用斩波恒流驱动时，放大电路的谐振会给控制环带来噪声而引起较大误差的问题；实现本发明方法的电路中，可以选用高精度的D/A转换电路，经电平转换后，使加在绕组两端的电压值与理论值误差很小，因此用这种方法实现细分驱动，其每一步的细分精度高于采用斩波恒流驱动和脉宽调制驱动。

2.本发明可实现128微步驱动(步进电机整步距角为1.8°)，实测表明其最大误差为15％，均方误差为3.9％。

附图说明

图1是步进电机电细分原理示意图；

图2是实施例一中硬件系统原理框图；

图3是实施例一中单片微机与D/A转换器的连接电路图；

图4是实施例一中程控线性直流电源的原理图；

图5是实施例一中128细分时一个整步步距内细分角的变化图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，采用线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。

其中，线性直流电源的控制方法为，单片微机输出的数字信号，由至少12位的数/模转换器转换成模拟量电压信号，再通过电平转换电路和功率放大电路转换，获得与电机的驱动电压相匹配的电压。

本实施例的方法通过细分驱动电路实现，参见附图2所示，由单片微机、与单片微机的输出接口连接的D/A转换器、电平转换电路和功率放大电路构成细分驱动电路，所述功率放大电路的输出连接至与步进电机分组线圈相连的电连接器。

D/A转换器的分辨率影响细分数，应当选用至少12位精度的D/A转换器，本实施例中，以12位的D/A转换器MAX526为例，它具有4个独立的D/A转换通道，享有独立的参考电压，分辨率为：

$V=v_{\mathrm{ref}}\frac{1}{4096}---\left(8\right)$

根据电机的特性，电机绕组中电流的额定值，确定v_ref的值。图3为单片微机与MAX526的连接图。功率驱动电路使用可编程集成稳压器，如LM317等集成稳压电路。其电压调整范围大，外围电路简单，输出功率大。驱动电路的合理、可靠，保证了电机的负载能力和稳定运行。当需要驱动大功率步进电机时，可采用扩流方法进行驱动。

本实施例中，单片微机选择89S52，由单片微机输出的数字细分控制信号通过D/A转换器将转化为阶梯波，经电平转换后，控制程控可调线性直流电源，最后由功率放大电路输出，控制步进电机的相电压，实现细分驱动。由于输出的是恒定的电压，从而避免了脉冲宽度调制驱动带来的感应电压对细分的影响。另外，因为选用了高精度的D/A转换，经电平转换后，使加在绕组两端的电压值与理论值误差很小，因此用这种方法实现细分驱动，其精度也远高于采用斩波恒流驱动。

图4是本实施例中程控线性直流电源的原理图。

表1为128细分时每步的角度值(以42BYGH型两相四拍为例，整步步距为1.8°)。测量采用光学自准的方法，测试仪器利用自准直仪和高精度数显转台等设备。图5为128细分时一个整步步距内细分角的变化图。

表1128细分时每步的角度值(单位：角秒)

由数据可知，128细分时，最大误差达15％，均方误差为3.9％。这是由测量带来的误差，电源电压的波动，电流谐波对绕组电感的影响，齿槽、铁心材料、边界条件等因素的存在，导致气隙磁场偏离预期位置等诸多因素引起的。

采用基于微处理器控制的直流电压驱动的细分方法，可实现128微步驱动(步进电机整步距角为1.8°)，最大误差为15％，均方误差为3.9％。而采用脉冲宽度调制驱动，经实际测试，对额定电压为12V的步进电机，如调制频率为1KHz，其感应电压的最大值达到2V，细分误差达200％。当调制频率降低时，虽然感应电压变小，但电机出现振动。另外采用斩波恒流驱动的电细分方法，误差也在30％～40％。

可见，采用本实施例的直流电压驱动细分电路，其误差明显减小。

Claims (3)

1.一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，其特征在于：采用程控线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过程序控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。

2.根据权利要求1所述的步进电机细分驱动方法，其特征在于：线性直流电源的控制方法为，单片微机输出的数字信号，由至少12位的数/模转换器转换成模拟量电压信号，再通过电平转换电路和功率放大电路转换，获得与电机的驱动电压相匹配的电压。

3.根据权利要求2所述的步进电机细分驱动方法，其特征在于：所述数/模转换器为16位数/模转换器。

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