步进电动机高精度细分方法及其控制系统

摘要

本发明涉及一种步进电动机高精度细分方法及其控制系统；建立了“电流矢量恒幅均匀旋转”的数学模型和相应的技术解决方案；控制系统具有细分控制电路和细分控制函数修正电路及其计算机自动修正程序；本发明可将步进电机细分水平从目前国际上的最高记录25.5″提高到1.5″以上，不仅大大增加了步进电机的分辨率，而且改善了其动态运转时的特性。本发明将会在众多的高新技术领域中得到广泛的应用。

说明书

本发明属于步进电动机技术领域。涉及一种步进电动机高精度细分方法及其控制系统。

由于工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准、数模转换等高新技术领域内，对步进电动机的细分技术提出了越来越高的要求。步进电动机的细分角越小，越有利于提高步进电动机的角位、点位及连续轨迹控制方面的定位精度，越有利于与计算机联机，实现全自动化控制。同时，还可大大提高步进电动机的分辨率，大大改善步进电动机在动态运转时的特性。因此，多年来，国内外的同行都在努力寻求步进电动机细分技术的最佳方案及最高细分精度。目前国内外的现有技术状况可以从国际联机检索得到的国内外19个数据库中的与本课题有关的文献报导中得到反映(见附件《(国际联机检索报告)》)：即目前国内外的步进电动机细分技术的最高微步距角细分水平为25.5″(美国帕克公司产品说明附件)。而随着科学和工业技术发展，这一细分水平对于目前很多要求5″以上的微步距角来说，仍远远不能满足要求。为什么长期以来步进电动机的细分技术停留在25.5″的水平上而不能再细分？对这一问题的研究结果表明：现有技术首次获得较高分辨率的细分方法采用的是一种称为半拍步进的方法，即在对步进电动机的步距角进行细分时，将步进电动机的控制位置数(以四相混合式步进电动机为例)的四拍通电逻辑顺序变为八拍通电逻辑顺序，从而将步距角降为原来的一半。以后在这种方法的基础上继续改进为电流合成矢量i_H不是一下变动45个电角度，而是一次变化一个较小的角度θ_f，这样就将步距角由原来的45°变为后来较小的微步距角θ_f。当通电时，电流合成矢量在0～45°范围内，仅让一相绕组的电流在变化，即只有i_A在变化，i_B不变；在45°～90°范围内，仅让i_B一相绕组的电流变化，i_A不变。这种细分驱动方法的优点是只需改变某一相绕组的电流值，因此在硬件电路的设计上就比较容易实现。但是这种方法却带来了一个不可克服的缺陷，即电流合成矢量i_H在旋转过程中的幅值是处在不断变化的状态中(见图1、图2)，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值Δθ已大于所要求细分的微步距角，使得微步距角的继续细分实际上失去了意义(见图3)。这就是现有细分技术方案不能达到超高分辨率的根本原因。为解决这个问题，很多资料都曾经提出对细分电流进行修正的方法，但一直未见一个实用、统一的数学模型及可行的细分方法问世。

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于：

1.从理论和实践的角度，建立一种新的步进电动机高精度细分方法和数学模型，以消除现有技术方案中不可克服的滞后角变化的Δθ值所引起的问题，使细分技术提到更高的水平；

2.提供一套新原理方法指导下的硬件控制电路；

3.提供一种对细分控制函数进行修正的电路及其相应的计算机自动修正程序；

现将本发明的构思及技术解决方案叙述如下：

从以上的分析可知，步进电动机的细分驱动都是通过电流合成矢量的旋转来实现的，要消除现有技术中由于滞后角的变化引起的Δθ值大于微步距角而导致不可继续细分的问题，只有使电流合成矢量i_H形成新的矩角特性曲线，为达到这一点，必须满足以下两个条件：

一.电流合成矢量旋转时每次变化的角度要均匀；

二.电流合成矢量的大小或幅值要保持恒定不变。

基于这两个条件，即可建立“电流矢量恒幅均匀旋转”细分驱动方法，采用这种方法时，各相绕组的电流是同时变化的，因此是一种基于交流同步电动机概念的特殊细分技术，其实质是对运行于交流同步电动机状态的步进电动机所受控的交流模拟信号在一个周期内细分，即每个细分点对应于一个交流值。为实现这种细分驱动方法，必须建立细分控制函数。所谓细分控制函数，是指这样两个函数f_A(x)和f_B(x)，当A、B两相电流值按照某一控制参数x的函数f_A(x)、f_B(x)变化时，电流矢量的幅值i_H将保持不变，即当 $>sup>>\{>>>i>B>>=>>i>M>>·>>f>B>>>(>x>)>>>>>i>A>>=>>i>M>>·>>f>A>>>(>x>)>>sup>>->->->->>(>1>)>>>s>时，$

i_H＝i_M             (2)解此方程组，可得细分控制函数为： $>sup>>\{>>>i>B>>=>>i>M>>·>Sinx>>>>i>A>>=>>i>M>>·>Cosx>sup>>->->->->>(>3>)>>>s>$

式中：i_A-A相绕组电流

      i_B-B相绕组电流

      i_M-当满足(1)、(2)式条件时的电流幅值

      x-控制参数

      Cosx-控制参数余弦值

      Sinx-控制参数正弦值

当按照(3)式所示的规律对A、B两相绕组电流通过细分控制电路实施控制时，每当控制参数x变化1°，步进电动机转子转一个电角度(对应的空间角度为0.01°)，在细分控制电路的控制下，实际上是每输入一个脉冲相当于控制参数x变化90°的1/2048，转子则转动90/2048个电角度(2048是根据精度要求及EPROM的存储空间由人为设定的)。因此微步距角θ_f为：其中：

式中：θ_b-细分前的步距角

  z_r-转子齿数

  m-细分前的运行拍数

由于步进电动机的A、B两相绕组按照正、余弦规律通电时，实测步进电动机转子的角位移与理想值有一个偏差，这是由于步进电动机的非线性和磁路饱和等因素造成的，它会直接影响步进电动机的细分精度。因此，还必须对EPROM中固化的细分控制函数进行修正，修正的方法是通过细分控制函数修正电路及其相应的计算机自动测量修正程序，实施修正控制。

此外，影响细分精度的另一个重要因素是负载的变化，如果负载发生一个微小的变化，在滞后角也发生一个微小的变化，这将大大增加相对误差。为此，本发明解决这一问题的方法是提高步进电动机机械传动机构的机械加工精度，以提高步进电动机负载的均匀性，并在传动机构中采用D级高精度推力球轴承。

根据上述步进电动机高精度细分方法，现结合附图将本发明提供的细分控制电路、细分控制函数修正电路及细分控制函数修正计算机控制程序的实施例具体叙述如下：

图4是步距角细分控制电路原理框图，具有A/D转换电路(1)、主控计算机(工业PC机)(2)，其特征在于还具有环形分配器(6)，细分控制函数发生器(7)、三角波发生器(13)、电流调节器PID(10)₁₂、隔离放大器(9)_1、2、电流取样电路(8)_1、2、脉宽调制电路PWM(11)_1、2、功率桥(12)_1、2。步距角细分控制电路的工作过程是这样的：当控制台送来控制电压信号后，经A/D转换器转换为数字量信号后，再由主控机(2)根据信号变化的大小，计算出步进电动机应旋转的方向、步数及频率，通过方向和脉冲信号线(3)、(4)输入到步距角细分电路的环形分配器(6)中计数与分配，再送到细分控制函数发生器(7)中，产生大小正比于控制参数x单位为电角度)的正、余弦函数的两路电压V_A、V_B，作为电机A、B两相绕组电流的控制电压，经PID(比例、积分、微分)电流调节器(10)_1、2放大，再与三角波发生器(13)的输出电压比较，差值电压由脉宽调制(PWM)电路(11)整形为方波(其脉宽正比于控制电压)，用以控制功率桥(12)中VMOS管的开通与关断。电机绕组W_A、W_B分别接于两个功率桥(12)的对角线上，取得正、余弦电流i_M.Sinx与i_M.Cosx，这样，每当输入一个脉冲，电机转子就步进一个微步距角θ_f。

在步距角细分控制电路中，为保持电机绕组中电流的稳定性，由电流取样电路(8)和隔离放大器(9)构成了一对电流深度负反馈电路，两个电流取样电路(8)分别具有霍尔效应电流传感器H及霍尔元件，绕组电流作为霍尔元件的输入信号，由霍尔元件通过霍尔效应将其转换为电压信号，此电压信号经隔离放大器(9)放大后作为电流调节器(10)的反馈信号，从而构成电流深度负反馈。

图5是细分控制函数修正电路原理框图。由于步进电动机的非线性和磁路饱和等因素的影响，当A、B两相绕组按照正余弦规律通电时，实测的步进电动机转子的角位移与理想值有一个偏差，因此，本发明设计了对绕组电流值进行优化的细分控制函数修正电路。该电路具有正余弦旋转变压器(15)、圆感应同步器(16)、多路模拟开关(17)、旋转变压器-数字转换器(18)。正余弦旋转变压器(15)、圆感应同步器(16)与步进电动机(14)同轴，且正余弦旋转变压器(15)和圆感应同步器(16)的输出端均与多路模拟开关(17)的输入端相接。修正的关键是如何精确地对微步距角进行自动测量。修正的过程是这样的：首先由主控机(工业PC机)的数字量输出口向细分控制电路(19)发出方向信号及控制脉冲，每发出一个脉冲，步进电动机将转动一个微步距角。步进电动机(14)、正余弦旋转变压器(15)和圆感应同步器(16)是同轴的，圆感应同步器可将周角分为720个周期，每个周期的测量范围是0.5°，测量精度为0.5″。由正余弦旋转变压器(15)确定周期数n值，由圆感应同步器(16)确定精确读数和误差范围，然后将测量结果通过多路模拟开关(17)送入旋转变压器-数字转换器(18)中，多路模拟开关(17)同时由主控机(2)内PCL-818L上的数字量输出口进行控制，当发出一个控制脉冲、步进电动机转动一个微步距角后，控制多路模拟开关(17)使正余弦旋转变压器(15)输出的正余弦电压信号输入到旋转变压器-数字转换器(18)，转换为16位数字量的角度值，作为粗机测量值送入主控机(2)并记录后，再控制多路模拟开关(17)使圆感应同步器(16)输出的正余弦电压信号输入到旋转变压器-数字转换器(18)，转换为16为数字量的角度值，作为精机测量值送入到主控机(2)并记录。当转够4096个脉冲后，由主控机(2)根据测量结果，利用二次牛顿插值法对固化在EPROM中的细分控制函数进行修正，最后将修正结果重新固化在步距角细分电路中的EPROM中。

图6是与上述步距角细分控制函数修正电路相应的计算机测量修正程序的流程图。该程序的流程如下：

(20)程序开始

(21)由主控机(2)的数据采集板PCL-818L上的数字量输出口向细分控制电路发出方向信号及控制脉冲；

(22)PCL-818L的数字量输出口同时对多路模拟开关(13)实施控制；

(23)主控机测量并记录分别由正余弦旋转变压器(15)和圆感应同步器(16)输入的微步距角值(16位数字量)；

(24)判断脉冲数是否转够4096次；

(25)根据测量结果，利用二次牛顿插值法对固化在EPROM中的细分控制函数进行修正并记录；

(26)程序结束。

由于步进电动机的细分精度除了受到上述因素的影响以外，负载的变化也将直接影响到滞后角的变化，而且是随着负载的增大而增大的，如果滞后角的变化是随机的，且超过了允许的范围，同样也会使步距角的细分失去意义。因此，本发明为提高步进电动机所带负载的均匀性，在步进电动机的传动机构中，采用了高精度D级推力球轴承。

现将附图说明如下：

图1：采用现有技术细分方法时的电流矢量旋转示意图。

图2：采用本发明细分方法时的电流矢量旋转示意图。

图3：现有技术的矩角特性曲线中反映的滞后角Δθ对细分的影响。

图4：本发明步距角细分控制电路原理框图。

图5：细分控制函数修正电路原理框图。

图6：细分控制函数修正计算机程序框图。

其中：

图1中的等分别表示A、B两相电流矢量及两相电流合成矢量。

图3中的纵轴T表示转矩，横轴θ_e表示转子的位置转角。

本发明同现有技术相比，具有以下突出特点：

1.在步进电动机细分技术上，设计了“电流矢量恒幅均匀旋转”方法，从原理上解决了实现高精度细分的技术难题，达到了微步距角1.58″的国际领先水平。

2.设计了细分控制函数修正电路及计算机自动修正程序，克服了步进电动机的非线性和磁路饱和的影响，保证了细分角的均匀性。

3.在细分控制电路中，采用了霍尔效应电流深度负反馈隔离放大技术，确保了高精度细分的实现。

本发明的实施，使步进电动机的细分技术提高到了超高精度细分的水平，为自动化控制、精瞄机床机械加工、高精度定位、自动测量、自动瞄准、数模转换等众多的高新技术领域提供了一流水平的技术和产品。