步进电机定位精度与其细分倍数的关系

步进电机细分数对运动平台性能影响的研究Researchofsteppingmotor’smicrostepsizeeffectontheperformanceofmotionstage深圳市雷泰控制技术有限公司李劲松左力摘要步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平台的定位精度。试验表明：步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。目前自动化设备上的运动平台大量采用同步带传动机构，并由步进电机控制其运动的速度和位置。为了使广大用户能正确地使用步进电机，我们对步进电机细分倍数与平台运动的平稳性、定位精度的关系进行了分析和试验，得出了一些有价值的结论。1.步进电机细分原理[1]图1为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个绕组A和B。(a)(b)(c)(d)图1步进电机细分原理图转子AABBSNSN定子AABBSNSNNSAABBSNSNAABBSNSNSN当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照：BBAABBAA®®®(1)这四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图1.b，d所示。若通电方向顺序按照：这8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与通电顺序(1)相比，它的步距角小了一半。为了保证电机输出的力矩均匀，A、B相线圈电流的大小也要调整，使A、B相产生的合力在每个位置相同。图2所示为电机四细分时，A、B相线圈电流的比例。A、B相线圈电流大小与转角关系如图3所示。图24细分时电机A、B线圈电流在不同角度的分配比例AABBBBBBAAAAAABBBBBBAAAA+®®+®®+®®+®0p8p43p8p25p83p4p7p49p87p85p411p83p213p815p82pqiA图3电机4细分时，电机电流波形从图3中可以看出，步进电机的相电流是按正弦函数（如虚线所示）分布的；细分数越大，相电流越接近正弦曲线。2.步进电机细分与电机运动平稳性的关系图4、5和6分别为两相步进电机2细分、8细分和64细分的实测相电流波形。被测步进电机步距角为1.8度，即无细分时每转200步。试验时，将步进电机转速都设为2r/s；电机2细分时，电机每转400步，每步周期为1.25ms；电机8细分时，电机每转1600步，每步周期为0.3125ms；电机64细分时，电机每转12800步，每步周期为0.0391ms。图1.9A、B线圈电流大小与角度的关系图42细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格2.5ms）0p8p43p8p25p83p4p7p49p87p85p411p83p213p815p82pqiB图58细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格1.0ms）图664细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格1.0ms）从图4、5、6中可看出，步进电机2细分时，电流波形台阶均匀，且电流脉动值很大，其最大值是最大电流的70.7％；步进电机8细分时，电流波形台阶明显，但电流脉动值较小，其最大值是最大电流的19.5％；步进电机64细分时，电流波形较平滑，电流波形已很难分辨分别出台阶的个数，最大电流脉动值仅为最大电流的2.45％。由电磁感应定理知，步进电机输出力矩和电机线圈的电流成正比，及：T＝KT×i式中KT为电机力矩常数，它与电机结构、材料、线圈长度等因素有关。由此公式就很容易理解：步进电机细分数越高，电机运转越平稳；步进电机细分数越小，电机运转时振动越大。因为细分数高时，电流曲线光滑，所以电机输出力矩也就波动小连续、电机运行就平稳；电机细分数小，电机电流脉动就大，其输出力矩脉动就大，因而造成电机较大的振动，该振动并产生噪音乃至其它部件的谐振噪音。3.步进电机细分倍数与定位精度的关系为了定量分析步进电机细分数与运动平台定位精度之间的关系，我们在一个同步带传动的运动平台上，进行了多组试验。该运动平台由雷赛57HS22步进电机驱动，配雷赛MD556细分驱动器；同步带轮主动轮周长100mm；工作台配有分辨率为0．001mm的光栅尺，作为位置检测装置。通过雷泰DMC1410运动控制卡控制工作台运动，由雷泰ENC7480计数卡采集光栅尺位置信号，作为分析运动平台定位精度的数据。图6、7、8、9分别是步进电机驱动器2细分、4细分、8细分、16细分条件下，运动平台单步运动位移量的典型数据。所谓单步运动，即控制器每发一个脉冲后，都延时0.05秒。图6步进电机2细分、运动平台单步运动时每步的位移量图7步进电机4细分、运动平台单步运动时每步的位移量图8步进电机8细分、运动平台单步运动时每步的位移量图9步进电机16细分、运动平台单步运动时每步的位移量表1是对以上4个试验的数据分析表。从表中可看出：2、4细分时，单步位移的误差较小，随着细分数增加，单步位移的误差增大。从图6～图9中也可以清楚地看出：2、4细分时，数据分布较均匀；随着细分数增加，数据分布离散度增大。表1试验数据分析细分数脉冲当量mm单步最小值mm单步最大值mm最大正误差mm最大负误差mm最大正误差率％最大负误差率％20.250.1910.3130.0590.06323.625.240.1250.0950.1570.030.03224.025.680.06250.0460.0820.01650.019526.431.2160.031250.0160.0450.01550.013549.242.9运动平台的位移误差虽然包含了步进电机细分不均匀、同步带传动机构误差、导轨直线度误差、光栅尺测量误差等误差在内，但当步进电机为16细分时，平台的位移误差明显增大。这说明：细分数大于8细分时，步进电机细分的不均匀性有显著提高。4.结论步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平台的定位精度。试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。建议在运动控制器输出的脉冲频率允许的情况下，尽可能将步进电机驱动器的细分数设大些，以提高运动平台的运动平稳性；但运动平台的定位精度只能按步进电机4细分的脉冲当量计算。参考文献[1]刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.1作者简介：李劲松，深圳市雷泰控制技术有限公司，工程师。左力，深圳市雷泰控制技术有限公司，高级工程师，工学博士。