步进电机细分驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，其特征在于：采用线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。本发明专利技术的细分驱动方法中的直流电压源采用线性直流电源，其每一步的细分精度高于采用斩波恒流驱动和脉宽调制驱动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种步进电机，具体涉及一种步进电机的细分驱动方法。
技术介绍
在高精度微位移控制系统中，常采用步进电机电细分驱动技术，它可有 效改善步进电机的低频特性，实现高精度的定位和微小位移。步进电机的细分驱动是通过对电机励磁绕组电流的控制，使步进电机定 子相邻励磁绕组的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，带动转子转动，从 而实现步进电机按细分后的步距角转动。以两相混合式双线绕组步进电机为例，理想状态下，相应绕组的感应电 压为3y/。化瓶 =--3y/A眠脱&二见z歲、^ ( !)^为转子齿数，^转子角速度，^转子电角度，转子永磁体产生的磁链中 与转子的位置角有关，变化周期为一个距齿角2电弧度。由于混合式步进电 机所含的谐波分量很小，可以忽略不计，贝!l:l6《/^cos^ t。=z, , (3)不计铁芯饱和的影响，应用叠加原理，两相混合式步进电机两相通电时， 电磁功率为A = ')。 + ( 4 )电磁转矩为<formula>formula see original document page 4</formula> (5)当在两相相邻绕组同时通以不同大小的电流时，各相产生的转矩之和为零的位置为新的平衡位置，这样就实现了细分。在合成某一位置指向为&时， 则<formula>formula see original document page 4</formula>(6 )<formula>formula see original document page 4</formula>则<formula>formula see original document page 4</formula> (7)^为绕组电流的额定值，&=z^， 0为实际转过的步距角(0'，0都以整步 平衡位置为坐标原点)，根据细分的要求，得到相应的电流值。步进电机的电细分驱动是通过对电机励磁绕组电流的控制，使步进电机 定子的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，带动转子转动。当两相相邻绕 组同时通以不同大小的电流时，各相产生的转矩之和为零的位置为新的平衡 位置，这样就实现了细分。参见附图l所示，步进电机电细分驱动的原理，如果将A相通电时定义 为起始位0,则从A相通电变为B相通电，磁场方向旋转了 90° ,这是步 进电机整步运行的情况。如果A相、B相同时通电，且通电电流相同，则合 成矢量方向为2所示的位置，这是步进电机半步运行的情况。若以A相或B 相单独通电时产生磁场的大小作为这四分之一圆的半径(以R表示)，根据式(6)和式(7)的关系，即可算出位置l时的两分量4-^sin0'， A:^eos0！，同理可以算出4 =i sin02， ^-i cos02; 43=i sin03， 53=^ 0)303。由于步进电机的运行依赖于电机内部定子绕组产生的磁场，而磁场的大小又依赖于线 圈绕组中电流I的大小。因此，对于定子线圈绕组的电流进行控制，可以实 现步进电机按细分后的步距角转动。电细分驱动控制技术是步进电机细分运行的关键，常用的细分驱动方法 有斩波恒流驱动、脉冲宽度调制驱动等。斩波恒流驱动通对控制电路的输 出电压和采样反馈电路的采样电压进行比较来控制功率驱动电路供给步进电机定子励磁绕组的电流，当绕组电流上升时，由于所加电压较商，电流上升 较快，采样电路的电压输出代表了电流的大小，当电流超过所设定的值时， 比较器反转，使得驱动电路中的开关管载止，此时，磁场能量将使绕组的电 流按原来方向继续流动，但是电流会减小，采样电路的输出电压也越来越小， 当采样电路的输出电压小于电压控制单元的输出电压时，比较器再次反转， 使得驱动电路中的开关管导通，电流上升，如此反复厉害到电流在设定电流 附近变化。斩波恒流驱动能大大提髙髙频响应，消除电机能量过剩引起的共 振现象，但斩波恒流驱动的采样信号来自反馈电流，放大电路的谐振会给控 制环带来噪声，引起较大的误差。脉冲宽度调制驱动能抑制谐波，减少谐波损耗等危害。但采用脉冲宽度 调制进行细分时，电机绕组始终处于通断状态，通断的频率与调制电压的频 率一致，当某一相通电流时与之相邻的相便会产生感应电压，感应电压的大 小与调制电压的频率等参数有关，这样就叠加了一个附加磁场，严重影响了 细分精度。经实际测试，对额定电压为12V的电机，如调制频率为10K,其 感应电压的最大值将达到2V,细分误差达200%。也就是说，虽然上述技术方案能够实现步进电机的细分，也具有较髙的 细分数和无积累误差等特点，但由于励磁线圈的互感带来的误差，其单步运 转的精度较低，这是步进电机细分的一个瓶颈。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种，在实现步进电机较高的 细分数的同时，避免励磁线圈的互感带来的误差，以提高步进电机单步运转 的精度。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种步进电机细分驱动方 法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的 步距角转动，采用程控线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过程序控 制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。本专利技术构思的要点是，步进电机的定子励磁绕组在加载直流电压的情况 下，可以近似为阻性负载；所以可以采用调整加载在定子励磁绕组上的直流 电压，来控制定子励磁绕组中的电流，从而实现步进电机按细分后的步距角转动。为此，上述技术方案中，采用了线性直流电源作为定子励磁绕组的供 电电源，并通过对各相的线性直流电源电压的控制，来实现步进电机的细分 驱动。其中，当步进电机为二相混合式步进电机时，只需要分别对二相励磁 绕组进行控制，计算和控制比较方便；当然，本专利技术的技术方案也适用于五 相混合式步进电机。上述技术方案中，线性直流电源的控制方法为，单片微机输出的数字信 号，由至少12位的数/模转换器转换成模拟量电压信号，再通过电平转换电 路和功率放大电路转换，获得与电机的驱动电压相匹配的电压。优选的技术方案，所述数/模转换器为16位数/模转换器。 本专利技术的方法可以采用下列电路来实现 一种步进电机细分驱动电路， 主要由微处理器、与步进电机的分组线圈对应的驱动模块构成，所述驱动模 块包括与微处理器的数字输出接口连接的D/A转换器、电平转换电路和功率 放大电路，所述功率放大电路的输出连接至与步进电机分组线圈相连的电连 接器。上述技术方案中，微处理器可以采用单片微机、PLC、或者其它具有编 程控制性能的芯片或者芯片组；电平转换电路和功率放大电路是现有技术， 用于将D/A转换器输出的模拟量电压信号转换成与电机的驱动电压相匹配的 电平，并提供足够的驱动电路。该技术的关键创新点是，采用了程控线性直 流电源控制步进电机的励磁电流，从而避免了由互感产生的附加磁场，提髙 了细分的精度。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点 1.本专利技术的细分驱动方法中的直流电压源采用线性直流电源，克服了采 用脉宽调制驱动方法时由于相邻两相之间的互感造成的误差，也避免了采用 斩波恒流驱动时，放大电路的谐振会给控制环带来噪声而引起较大误差的问 题；实现本专利技术方法的电路中，可以选用髙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，其特征在于：采用程控线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过程序控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。

【技术特征摘要】
1.一种步进电机细分驱动方法，基于微处理器控制步进电机定子相邻励磁绕组实现步进电机按细分后的步距角转动，其特征在于采用程控线性直流电源作为励磁绕组的供电电源，通过程序控制励磁绕组各相的线性直流电源电压实现所述步进电机的细分驱动。2. 根据权利要求l所述的步进电机细分驱动方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹丽新，顾济华，陶智，季晶晶，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]