專利名稱：步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于步進電動機技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)。
由于工業(yè)技術(shù)的不斷進步，在自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準、數(shù)模轉(zhuǎn)換等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對步進電動機的細分技術(shù)提出了越來越高的要求。步進電動機的細分角越小，越有利于提高步進電動機的角位、點位及連續(xù)軌跡控制方面的定位精度，越有利于與計算機聯(lián)機，實現(xiàn)全自動化控制。同時，還可大大提高步進電動機的分辨率，大大改善步進電動機在動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。因此，多年來，國內(nèi)外的同行都在努力尋求步進電動機細分技術(shù)的最佳方案及最高細分精度。目前國內(nèi)外的現(xiàn)有技術(shù)狀況可以從國際聯(lián)機檢索得到的國內(nèi)外19個數(shù)據(jù)庫中的與本課題有關(guān)的文獻報導中得到反映(見附件《(國際聯(lián)機檢索報告)》)即目前國內(nèi)外的步進電動機細分技術(shù)的最高微步距角細分水平為25.5″(美國帕克公司產(chǎn)品說明附件)。而隨著科學和工業(yè)技術(shù)發(fā)展，這一細分水平對于目前很多要求5″以上的微步距角來說，仍遠遠不能滿足要求。為什么長期以來步進電動機的細分技術(shù)停留在25.5″的水平上而不能再細分？對這一問題的研究結(jié)果表明現(xiàn)有技術(shù)首次獲得較高分辨率的細分方法采用的是一種稱為半拍步進的方法，即在對步進電動機的步距角進行細分時，將步進電動機的控制位置數(shù)(以四相混合式步進電動機為例)的四拍通電邏輯順序變?yōu)榘伺耐娺壿嬳樞颍瑥亩鴮⒉骄嘟墙禐樵瓉淼囊话?。以后在這種方法的基礎上繼續(xù)改進為電流合成矢量iH不是一下變動45個電角度，而是一次變化一個較小的角度θf，這樣就將步距角由原來的45°變?yōu)楹髞磔^小的微步距角θf。當通電時，電流合成矢量在0～45°范圍內(nèi)，僅讓一相繞組的電流在變化，即只有iA在變化，iB不變；在45°～90°范圍內(nèi)，僅讓iB一相繞組的電流變化，iA不變。這種細分驅(qū)動方法的優(yōu)點是只需改變某一相繞組的電流值，因此在硬件電路的設計上就比較容易實現(xiàn)。但是這種方法卻帶來了一個不可克服的缺陷，即電流合成矢量iH在旋轉(zhuǎn)過程中的幅值是處在不斷變化的狀態(tài)中(見圖1、圖2)，從而引起滯后角的不斷變化。當細分數(shù)很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值Δθ已大于所要求細分的微步距角，使得微步距角的繼續(xù)細分實際上失去了意義(見圖3)。這就是現(xiàn)有細分技術(shù)方案不能達到超高分辨率的根本原因。為解決這個問題，很多資料都曾經(jīng)提出對細分電流進行修正的方法，但一直未見一個實用、統(tǒng)一的數(shù)學模型及可行的細分方法問世。
針對上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明的目的在于1.從理論和實踐的角度，建立一種新的步進電動機高精度細分方法和數(shù)學模型，以消除現(xiàn)有技術(shù)方案中不可克服的滯后角變化的Δθ值所引起的問題，使細分技術(shù)提到更高的水平；2.提供一套新原理方法指導下的硬件控制電路；3.提供一種對細分控制函數(shù)進行修正的電路及其相應的計算機自動修正程序；現(xiàn)將本發(fā)明的構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下從以上的分析可知，步進電動機的細分驅(qū)動都是通過電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，要消除現(xiàn)有技術(shù)中由于滯后角的變化引起的Δθ值大于微步距角而導致不可繼續(xù)細分的問題，只有使電流合成矢量iH形成新的矩角特性曲線，為達到這一點，必須滿足以下兩個條件一.電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時每次變化的角度要均勻；二.電流合成矢量的大小或幅值要保持恒定不變。
基于這兩個條件，即可建立“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細分驅(qū)動方法，采用這種方法時，各相繞組的電流是同時變化的，因此是一種基于交流同步電動機概念的特殊細分技術(shù)，其實質(zhì)是對運行于交流同步電動機狀態(tài)的步進電動機所受控的交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，即每個細分點對應于一個交流值。為實現(xiàn)這種細分驅(qū)動方法，必須建立細分控制函數(shù)。所謂細分控制函數(shù)，是指這樣兩個函數(shù)fA(x)和fB(x)，當A、B兩相電流值按照某一控制參數(shù)x的函數(shù)fA(x)、fB(x)變化時，電流矢量的幅值iH將保持不變，即當{iB=iM·fB(x)iA=iM·fA(x)----(1)]]>時，iH＝iM(2)解此方程組，可得細分控制函數(shù)為{iB=iM·SinxiA=iM·Cosx----(3)]]>式中iA-A相繞組電流iB-B相繞組電流iM-當滿足(1)、(2)式條件時的電流幅值x-控制參數(shù)Cosx-控制參數(shù)余弦值Sinx-控制參數(shù)正弦值當按照(3)式所示的規(guī)律對A、B兩相繞組電流通過細分控制電路實施控制時，每當控制參數(shù)x變化1°，步進電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個電角度(對應的空間角度為0.01°)，在細分控制電路的控制下，實際上是每輸入一個脈沖相當于控制參數(shù)x變化90°的1/2048，轉(zhuǎn)子則轉(zhuǎn)動90/2048個電角度(2048是根據(jù)精度要求及EPROM的存儲空間由人為設定的)。因此微步距角θf為 其中 式中θb-細分前的步距角zr-轉(zhuǎn)子齒數(shù)m-細分前的運行拍數(shù)由于步進電動機的A、B兩相繞組按照正、余弦規(guī)律通電時，實測步進電動機轉(zhuǎn)子的角位移與理想值有一個偏差，這是由于步進電動機的非線性和磁路飽和等因素造成的，它會直接影響步進電動機的細分精度。因此，還必須對EPROM中固化的細分控制函數(shù)進行修正，修正的方法是通過細分控制函數(shù)修正電路及其相應的計算機自動測量修正程序，實施修正控制。
此外，影響細分精度的另一個重要因素是負載的變化，如果負載發(fā)生一個微小的變化，在滯后角也發(fā)生一個微小的變化，這將大大增加相對誤差。為此，本發(fā)明解決這一問題的方法是提高步進電動機機械傳動機構(gòu)的機械加工精度，以提高步進電動機負載的均勻性，并在傳動機構(gòu)中采用D級高精度推力球軸承。
根據(jù)上述步進電動機高精度細分方法，現(xiàn)結(jié)合附圖將本發(fā)明提供的細分控制電路、細分控制函數(shù)修正電路及細分控制函數(shù)修正計算機控制程序的實施例具體敘述如下圖4是步距角細分控制電路原理框圖，具有A/D轉(zhuǎn)換電路(1)、主控計算機(工業(yè)PC機)(2)，其特征在于還具有環(huán)形分配器(6)，細分控制函數(shù)發(fā)生器(7)、三角波發(fā)生器(13)、電流調(diào)節(jié)器PID(10)12、隔離放大器(9)1、2、電流取樣電路(8)1、2、脈寬調(diào)制電路PWM(11)1、2、功率橋(12)1、2。步距角細分控制電路的工作過程是這樣的當控制臺送來控制電壓信號后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后，再由主控機(2)根據(jù)信號變化的大小，計算出步進電動機應旋轉(zhuǎn)的方向、步數(shù)及頻率，通過方向和脈沖信號線(3)、(4)輸入到步距角細分電路的環(huán)形分配器(6)中計數(shù)與分配，再送到細分控制函數(shù)發(fā)生器(7)中，產(chǎn)生大小正比于控制參數(shù)x 單位為電角度)的正、余弦函數(shù)的兩路電壓VA、VB，作為電機A、B兩相繞組電流的控制電壓，經(jīng)PID(比例、積分、微分)電流調(diào)節(jié)器(10)1、2放大，再與三角波發(fā)生器(13)的輸出電壓比較，差值電壓由脈寬調(diào)制(PWM)電路(11)整形為方波(其脈寬正比于控制電壓)，用以控制功率橋(12)中VMOS管的開通與關(guān)斷。電機繞組WA、WB分別接于兩個功率橋(12)的對角線上，取得正、余弦電流iM.Sinx與iM.Cosx，這樣，每當輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)子就步進一個微步距角θf。
在步距角細分控制電路中，為保持電機繞組中電流的穩(wěn)定性，由電流取樣電路(8)和隔離放大器(9)構(gòu)成了一對電流深度負反饋電路，兩個電流取樣電路(8)分別具有霍爾效應電流傳感器H及霍爾元件，繞組電流作為霍爾元件的輸入信號，由霍爾元件通過霍爾效應將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，此電壓信號經(jīng)隔離放大器(9)放大后作為電流調(diào)節(jié)器(10)的反饋信號，從而構(gòu)成電流深度負反饋。
圖5是細分控制函數(shù)修正電路原理框圖。由于步進電動機的非線性和磁路飽和等因素的影響，當A、B兩相繞組按照正余弦規(guī)律通電時，實測的步進電動機轉(zhuǎn)子的角位移與理想值有一個偏差，因此，本發(fā)明設計了對繞組電流值進行優(yōu)化的細分控制函數(shù)修正電路。該電路具有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)、圓感應同步器(16)、多路模擬開關(guān)(17)、旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)、圓感應同步器(16)與步進電動機(14)同軸，且正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)和圓感應同步器(16)的輸出端均與多路模擬開關(guān)(17)的輸入端相接。修正的關(guān)鍵是如何精確地對微步距角進行自動測量。修正的過程是這樣的首先由主控機(工業(yè)PC機)的數(shù)字量輸出口向細分控制電路(19)發(fā)出方向信號及控制脈沖，每發(fā)出一個脈沖，步進電動機將轉(zhuǎn)動一個微步距角。步進電動機(14)、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)和圓感應同步器(16)是同軸的，圓感應同步器可將周角分為720個周期，每個周期的測量范圍是0.5°，測量精度為0.5″。由正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)確定周期數(shù)n值，由圓感應同步器(16)確定精確讀數(shù)和誤差范圍，然后將測量結(jié)果通過多路模擬開關(guān)(17)送入旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)中，多路模擬開關(guān)(17)同時由主控機(2)內(nèi)PCL-818L上的數(shù)字量輸出口進行控制，當發(fā)出一個控制脈沖、步進電動機轉(zhuǎn)動一個微步距角后，控制多路模擬開關(guān)(17)使正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)輸出的正余弦電壓信號輸入到旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)，轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字量的角度值，作為粗機測量值送入主控機(2)并記錄后，再控制多路模擬開關(guān)(17)使圓感應同步器(16)輸出的正余弦電壓信號輸入到旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)，轉(zhuǎn)換為16為數(shù)字量的角度值，作為精機測量值送入到主控機(2)并記錄。當轉(zhuǎn)夠4096個脈沖后，由主控機(2)根據(jù)測量結(jié)果，利用二次牛頓插值法對固化在EPROM中的細分控制函數(shù)進行修正，最后將修正結(jié)果重新固化在步距角細分電路中的EPROM中。
圖6是與上述步距角細分控制函數(shù)修正電路相應的計算機測量修正程序的流程圖。該程序的流程如下(20)程序開始(21)由主控機(2)的數(shù)據(jù)采集板PCL-818L上的數(shù)字量輸出口向細分控制電路發(fā)出方向信號及控制脈沖；(22)PCL-818L的數(shù)字量輸出口同時對多路模擬開關(guān)(13)實施控制；(23)主控機測量并記錄分別由正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(15)和圓感應同步器(16)輸入的微步距角值(16位數(shù)字量)；(24)判斷脈沖數(shù)是否轉(zhuǎn)夠4096次；(25)根據(jù)測量結(jié)果，利用二次牛頓插值法對固化在EPROM中的細分控制函數(shù)進行修正并記錄；(26)程序結(jié)束。
由于步進電動機的細分精度除了受到上述因素的影響以外，負載的變化也將直接影響到滯后角的變化，而且是隨著負載的增大而增大的，如果滯后角的變化是隨機的，且超過了允許的范圍，同樣也會使步距角的細分失去意義。因此，本發(fā)明為提高步進電動機所帶負載的均勻性，在步進電動機的傳動機構(gòu)中，采用了高精度D級推力球軸承。
現(xiàn)將


如下圖1采用現(xiàn)有技術(shù)細分方法時的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖2采用本發(fā)明細分方法時的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖3現(xiàn)有技術(shù)的矩角特性曲線中反映的滯后角Δθ對細分的影響。
圖4本發(fā)明步距角細分控制電路原理框圖。
圖5細分控制函數(shù)修正電路原理框圖。
圖6細分控制函數(shù)修正計算機程序框圖。
其中圖1中的 等分別表示A、B兩相電流矢量及兩相電流合成矢量。
圖3中的縱軸T表示轉(zhuǎn)矩，橫軸θe表示轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出特點1.在步進電動機細分技術(shù)上，設計了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”方法，從原理上解決了實現(xiàn)高精度細分的技術(shù)難題，達到了微步距角1.58″的國際領(lǐng)先水平。
2.設計了細分控制函數(shù)修正電路及計算機自動修正程序，克服了步進電動機的非線性和磁路飽和的影響，保證了細分角的均勻性。
3.在細分控制電路中，采用了霍爾效應電流深度負反饋隔離放大技術(shù)，確保了高精度細分的實現(xiàn)。
本發(fā)明的實施，使步進電動機的細分技術(shù)提高到了超高精度細分的水平，為自動化控制、精瞄機床機械加工、高精度定位、自動測量、自動瞄準、數(shù)模轉(zhuǎn)換等眾多的高新技術(shù)領(lǐng)域提供了一流水平的技術(shù)和產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種步進電機高精度細分方法，其特征在于(1).建立一種可消除滯后角變化影響的步進電機細分控制函數(shù)數(shù)學模型{iB=iM·SinxiA=iM·Cosx]]>式中iA-A相繞組電流iB-B相繞組電流x-控制參數(shù)iM-電流幅值Cosx-控制參數(shù)余弦值Sinx-控制參數(shù)正弦值(2).對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受控的交流模擬信號在一個周期內(nèi)進行細分，每個細分點對應一個交流值；(3).按照細分控制函數(shù)數(shù)學模型對A、B兩相繞組電流通過步距角細分控制電路實施控制，控制參數(shù)x變化1°，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個電角度(對應的空間角度為0.01°)，在細分控制電路的控制下，實際上是每輸入一個脈沖相當于控制參數(shù)x變化90個電角度的1/2048，轉(zhuǎn)子則轉(zhuǎn)動90/2048個電角度；(4).對影響細分控制精度的非線性及磁路飽和因素，通過細分控制函數(shù)修正電路及相應計算機修正程序?qū)毞挚刂坪瘮?shù)實施修正的方法解決；(5).對由于負載不均勻帶來的誤差而影響細分精度的因素通過采用高精度徑向止推傳動機構(gòu)的方法解決。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種步進電機高精度細分方法，其特征在于(1)中所述的細分控制函數(shù)是指這樣兩個函數(shù)fA(x)和fB(x)，當A、B兩相電流值按照某一控制參數(shù)x的函數(shù)fA(x)、fB(x)變化時，電流矢量的幅值iH將保持不變，即當{iB=iM·fB(x)iA=iM·fA(x)]]>時，iH＝iM。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種步進電機高精度細分方法，其特征在于(2)中所述的步進電機所受控的交流模擬信號在一個周期內(nèi)進行細分的條件是a.電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時每次變化的角度要均勻；b.電流合成矢量的大小或幅值要保持恒定不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種步進電機高精度細分方法，其特征在于(4)中所述的對細分控制函數(shù)進行修正的計算控制程序是a.首先由主控機(2)數(shù)據(jù)采集板PCL-818L的數(shù)字量輸出口向細分控制電路發(fā)出方向信號及控制脈沖；b.PCL-818L數(shù)字量輸出口同時對多路模擬開關(guān)實施控制；c.主控機測量并記錄由正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和圓感應同步器輸入的微步距角值；d.判斷脈沖數(shù)是否轉(zhuǎn)夠4096次；e.根據(jù)記錄結(jié)果，利用二次牛頓插值法對固化在EPROM中的細分控制函數(shù)進行修正并記錄；f.程序結(jié)束。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進電機高精度細分方法而設計的細分控制系統(tǒng)，具有主控計算機及A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于該系統(tǒng)還具有細分控制電路、細分控制函數(shù)修正電路及細分控制函數(shù)修正計算機軟件程序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的步進電機細分控制系統(tǒng)，其特征在于細分控制電路具有環(huán)形分配器、細分控制函數(shù)發(fā)生器、三角波發(fā)生器、電流調(diào)節(jié)器、隔離放大器、電流取樣電路、脈寬調(diào)制電路、功率橋。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的步進電機細分控制系統(tǒng)，其特征在于細分控制電路中具有由電流取樣電路和隔離放大器構(gòu)成一對深度負反饋電路，且其中分別具有霍爾效應電流傳感器及霍爾元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的細分控制系統(tǒng)，其特征在于細分控制函數(shù)修正電路具有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器、多路模擬開關(guān)、旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器與與圓感應同步器同軸，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)；建立了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”的數(shù)學模型和相應的技術(shù)解決方案；控制系統(tǒng)具有細分控制電路和細分控制函數(shù)修正電路及其計算機自動修正程序；本發(fā)明可將步進電機細分水平從目前國際上的最高記錄25.5″提高到1.5″以上，不僅大大增加了步進電機的分辨率，而且改善了其動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。本發(fā)明將會在眾多的高新技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應用。
文檔編號H02P8/22GK1146661SQ9611869
公開日1997年4月2日 申請日期1996年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月6日
發(fā)明者黃先祥, 鐘仁人, 劉春桐, 郭曉松, 張志利 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程學院