基于可控電流源的高精度高細分步進電動機細分驅動

姜杏輝，鄒麗新，孫平，馬勵行，季晶晶

    (蘇州大學，江蘇蘇州215006)

    摘要：介紹了一種基于可控電流源實現高精度高細分步進電動機細分驅動的方法，該方法是在已有驅動技術的基礎之上，用精密可控電流源進行細分驅動，采用實驗法和最小二乘法相結合進行電流修正，從而補償了步進電動機勵磁曲線的非線性，提高了單步細分運行的精度。實測結果證明該細分方法具有細分線性好、無積累誤差、轉動噪聲小的優點，特別適用于要求微位移的控制系統中。

    關鍵詞：步進電動機；可控電流源；細分驅動；非線性補償

    中圖分類號：TM383．6  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0021—04

引言

    步進電動機是精密控制系統中重要的執行部件，為了實現高精度定位和微小位移，常采用具有電細分的步進電動機驅動技術。目前使用較多的電細分驅動電路有斬波恒流驅動與脈沖寬度調制驅動方法[1-2]，雖然斬波恒流驅動和脈沖寬度調制驅動均能實現步進電動機的細分，也具有較高的細分數和無積累誤差等特點，但由于勵磁繞組的互感帶來的誤差，其細分的均勻程度即單步運轉的精度依然是步進電動機細分的一個瓶頸。本文介紹的基于可控電流源的高精度高細分步進電動機細分驅動方法是在已有驅動方法的基礎之上，提出用精密可控電流源進行細分驅動，使得勵磁線圈中流經的電流為穩定的直流，從而提高了單步細分運行的精度，使得細分運行角度達到了整步運行角度的1／512，單步細分運行誤差小于±百分之20。

1電細分驅動原理

    步進電動機的細分驅動是通過對勵磁繞組電流的控制，使步進電動機定子的合成磁場成為按細分；步距旋轉的均勻磁場，帶動轉子轉動，從而實現步進i電動機按細分后的步距角轉動。以兩相混合式雙線繞組步進電動機為例，理想狀態下相應繞組的感應電壓為：   

式中：z_r為轉子齒數，ω_r為轉子角速度，θ_e為轉子角度，轉子永磁體產生的磁鏈ψ與轉子位置角有關變化周期為一個距齒角2_π電弧度。由于混合式步：警進電動機所含的諧波分量很小，可以忽略不計，則： 

    不計鐵心飽和的影響，應用疊加原理，兩相混合式步進電動機兩相通電時電磁功率為：   

當在兩相相鄰繞組同時通以不同大小的電流時，各相產生的轉矩之和為零的位置為新的平衡位置，這樣就實現了細分。在合成某一位置指響為θ_e時，T_e=0，則有：

可滿足式(6)兩邊相等，代人式(5)滿足T_e=0，即相鄰兩相產生的轉矩之和為零，電機到達新的平衡位置。式(7)中：im為繞組電流的額定值，θ_e=z_rθ,θ為實際轉過的步距角(θe、θ都以整步平衡位置為坐標原點)，根據細分要求，得到相應的電流值[3]。

    由式(7)的細分驅動理論模型可知，只要控制電機相鄰兩個勵磁線圈中通過電流的變化規律，使之符合該數學模型，就可以形成一個按細分步距旋轉的均勻磁場。然而這個理論成立的前提是勵磁線圈所產生的磁場幅度與所加的勵磁電流嚴格成線性關系。然而對于所有的鐵磁質而言都存在著磁飽和現象，包括步進電動機的勵磁材料，則步進電動機勵磁線圈所產生的磁場幅度就與所加的勵磁電流成非線性關系，式(6)、式(7)中的數學模型并不能產生均勻的圓形旋轉磁場^[4]，因此要對其進行修正。本文采用實驗法和最小二乘法相結合進行修正。

2電細分驅動控制電路

    電細分驅動控制構成如圖1所示，主要分為細分信號產生電路和精密可控電流源兩部分。

  細分信號產生電路包括FPGA模塊、D／A轉換電路和電平調整部分。FPGA采用AI朋RA公司的cvcloneI系列EPlc6Q240芯片，系統時鐘由50 MHz的有源晶振提供，設計中主要應用該芯片的內部