步进电机细分原理.pdf-资料库

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步进电动机高精度细分方法及其控制系统叶韦韦华南师范大学电信工程系 99 级引言本论文题目来自对现有椭偏仪进行技术改进工作中的“用步进电机取代传统直流减速电机”的研究课题。椭圆偏振测量技术是一种测量薄膜厚度和研究其表面特性的先进方法，具有灵敏度高、精度高、实时和无损样品的优点。在半导体、光学材料、表面物理、化工、冶金、生物和医学等领域都有重要应用。传统的椭偏仪由于使用了直流电机，在定位过程中存在自动化水平低、操作复杂、精度难以保证和成本高（因需要配高精度光电旋转编码器）等不足，为提高椭偏仪的定位精度和自动化水平，研制出一种高精度自动定位系统无疑具有十分重要的意义。本系统采用步进电机代替直流电机，但现有步进电机的最小步距角还未能达到本系统的要求，所以要在步进细分技术上作探讨。利用步进电机的准确动作和步进电机的细分技术，解决椭偏仪的角度与光强必须准确对应关系的问题。其中，当步进电动机的细分角度越小，越有利于提高步进电动机的角位、点位及连续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，还可以大大提高步进电机的分辨率，大大改善步进电动机在动态运转时的特性。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、自动瞄准等高新技术领域内，对步进电机的细分要求也越来越高。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。本文所介绍的自动定位系统是在原椭偏仪系统的前提下，采用步进电机计算机细分控制技术建立起来的。一．一．步进电机的基本原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域

都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9°/1.8°（表示半步工作时为 0.9°、整步工作时为 1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9°/1.8°、三相的为 0.75°/1.5°、五相的为 0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。 DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。

步进电机的一些特点： 1． 1．一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2． 2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3． 3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。二．二．步进电机驱动器的原理步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成： 1. 步进控制器，由单片机实现。 2．驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3．步进电机。典型的步进电机驱动控制电路图如下：

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采用该方法时，电流合成矢量的旋转示意图如下：图中得 ia﹑ib﹑ih 分别表示 A,B 两相电流矢量及两相电流合成矢量。本电路的细分方法其特征在于：步骤一：建立一种可消除滞后角变化影响的步进电动机的细分控制函数数学模型： ia＝im*cosX ib=im*sinX 式中： ia－A 相绕组电流 ib－B 相绕组电流 x－控制参数 im－电流幅值 cosx－控制参数余弦值 sinx－控制参数正弦值步骤二：对运行于交流同步电机状态的步进电机所受控的交流模拟信号在一个周期内细分，每个细分点对应一个交流值。步骤三：按照细分控制数学模型对 A﹑B 两相绕组电流通过步距角细分控制电路实施控制，控制过程为：由单片机送来的数字量电压控制信号，经 D/A 转换器转换为模拟量的电压信号，再送到放大驱动电路上，经放大后直接送到步进电动机的四相绕组，并在四相绕组上加上电压负反馈以保证电压放大的稳定性。四相绕组分别取得正﹑余弦变化电流和零电平，通过电流合成矢量的驱动方式，驱动电动机的旋转，这样每输入一个数字量，电机转子就步进一个微步距角θf。步骤四：对影响细分控制精度的非线性，通过细分控制修正表和相应的单片机修正程序对细分正﹑余弦表实施修正。基于以上细分方法及其特征，本论文的步进电机控制系统是在原有典型的步进电机驱动控制电路基础上建立起来的，驱动控制电路利用 MCS51 系列单片机与 12 位 D/A 转换器（DAC8413）构成高精度细分的开环自动定位系统，通过“电流矢量恒幅均匀旋转”细分驱动方法实现高精度定位，大大提高步进电机的分辨率和改善步进电机在动态运转时的特性。使用上述原理建立的系统框图如下：

2．D/A 芯片的选择 D/A 转换器把单片机的数字控制量转换为模拟的电压信号，经放大后直接控制电机。所以，D/A 芯片的选择关系到细分技术的方案要求。我选用的 D/A 芯片是 AD 公司的 DAC8413。它的概述为： DAC8413 是在单片电路芯片上集成四个 12 位电压输出数模变换器（DAC）。每一 DAC 都有一个双重缓冲的输入锁存结构，并有回读功能。全部 DAC 都通过一个 12 位并行 I/O 口与微处理发生读写操作。容许用户同时将 DAC 输出复位到零，而不考虑输入锁存器的内容。任一 DAC 和全部 DAC 都可以被置于透明模式，使输出能根据输入数据立即响应。 DAC8413 的特性： 1．＋5 伏到＋/－15 伏工作电压 2．单极性或双极性输出 3．实际的电压输出 4．双重缓冲的输入锁存结构 5．复位到零或复位到中点的干预 6．高速总线存取时间 7．回读功能 DAC8413 的应用：可用于自动测量设备，数字控制校准系统，控制伺服系统，过程控制系统。使用 DAC8413 的原因： 1．利用数模转换器的 12 位并行 I/O 口，把四分之一的四相驱动电流周期即一个步距分成 4096 级，也就是 2 的 12 次方，达到电压高精度的细分要求。 2．DAC8413 四个完整的电压输出数模转换器，能直接输出 0-10V 的电压，再经 1.2 倍放大后达到 0－12V 的电压范围，以控制电机的四相绕组，减少电路复杂性。 3．芯片能使用一组或两组电压供电，减少驱动电源的复杂性。使用外部参考电压，用高精度参考电压保证输出细分电压的稳定性。 4．“复位到零”干预，达到电机 0－12V 的电压控制范围，使电机在半步工作时能达到 0－1.8°的步进范围。 5.利用双重缓冲的输入锁存结构和高速总线存取时间，四路 DAC 能分别写入和输出数据，并能同时一次性写出，达到高速并行输入和并行输出的数模转换要求。 6.芯片性价比方面的考虑。

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