陳艷紅，鄧 娜

CHEN Yan-hong, DENG Na

（開封大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，開封 475004）

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動在機(jī)床數(shù)控改造中的應(yīng)用

Subdivision drive technology of stepper motor in numerical control transformation

陳艷紅，鄧 娜

CHEN Yan-hong, DENG Na

（開封大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，開封 475004）

采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，是現(xiàn)代化生產(chǎn)和教學(xué)中的一個重點(diǎn)技改課題。在機(jī)床伺服系統(tǒng)改造時，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，可以減小電機(jī)的步距角，從而減小機(jī)床脈沖當(dāng)量，提高伺服控制精度以及零件的加工精度。

數(shù)控改造；細(xì)分驅(qū)動；步距角；精度

0 引言

步進(jìn)電機(jī)作為一種電脈沖——角位移的轉(zhuǎn)換元件，具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于控制，無累積誤差和計算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)的工作性能與采用的驅(qū)動電路技術(shù)是密切相關(guān)的，開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動電路除一般串電阻單電壓驅(qū)動之外，還先后出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動、單高壓斬波式恒流驅(qū)動和調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動等，從而大大提高了步進(jìn)電機(jī)高速區(qū)輸出。但是，在精密加工機(jī)器中，對步進(jìn)電機(jī)要求很高，特別是要求電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)速低，采用一般的驅(qū)動技術(shù)很難達(dá)到工藝要求，且不能克服電機(jī)的低頻工作時噪聲大、易振動的缺點(diǎn)，同時脈沖頻率可能會與步進(jìn)電機(jī)的諧振頻率一致，導(dǎo)致共振使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

開環(huán)步進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)一般采用脈沖增量插補(bǔ)算法，在控制過程中不斷向各坐標(biāo)軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，每個脈沖通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角，相應(yīng)地使機(jī)床工作臺移動一個脈沖當(dāng)量。

開環(huán)步進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給脈沖當(dāng)量的量值靠步進(jìn)電機(jī)步距角、減速齒輪比、絲杠導(dǎo)程三者協(xié)調(diào)確定。三者之間換算關(guān)系可以用下式表示：

式中：δp—脈沖當(dāng)量；L0—滾珠絲桿螺距；i—傳動比；θb—步距角。

由上式可知：當(dāng)傳動比一定時，隨著步距角的減小，脈沖當(dāng)量也減小，從而可提高機(jī)床的加工精度和改善零件表面粗糙度。在實際改造中可以在步進(jìn)電機(jī)控制電路中采取細(xì)分驅(qū)動技術(shù)減小步距角，從而減小脈沖當(dāng)量，提高伺服精度。

1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動在機(jī)床數(shù)控改造中的應(yīng)用

以普通車床的數(shù)控改造為例，一般脈沖數(shù)量均?。簷M向0.005mm，縱向0.01mm（機(jī)床數(shù)控改造后，脈沖數(shù)量一般是一個不可改變的確定值）。對于一般常規(guī)加工來說，此脈沖當(dāng)量是能夠滿足其加工的；對于控制精度要求較高的特殊加工，則需要較小脈沖當(dāng)量。如將脈沖當(dāng)量減小為橫向0.0025mm，縱向0.005mm，則被加工零件的幾何精度可以顯著提高。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路，如果按照環(huán)形分配器決定的分配方式，控制電動機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截至，從而使電動機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)所需的旋轉(zhuǎn)磁勢拖動轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，則步距角只有兩種。如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率，可以在每次輸入脈沖切換時，只是改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)的合成磁勢也只有旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，這里繞組電流是階梯波，額定電流是臺階式的投入或撤離，電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角，這種將一個步距角細(xì)分成為若干個的驅(qū)動方式便是細(xì)分驅(qū)動技術(shù)。

圖1 細(xì)分的階梯電流波形圖

如某三相六拍運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)，通電狀態(tài)為A→AB→B→BC→C→CA…，由A 通電狀態(tài)切換到AB通電狀態(tài)時，A 相繞組的電流不是“1”立即降到“0”（此處的“1”應(yīng)理解為電流的額定值I ），而是0.9I—0.8I…0.1I—0逐步衰減下來，同理，某相繞組接通時，電流也按0.1I—0.2I —0.9I…I 的規(guī)律逐步上升。如圖1所示為細(xì)分的階梯電流波形圖。

目前在國內(nèi)外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動器，該技術(shù)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）提高了電機(jī)的分辨率

步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型二相混合式步進(jìn)電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)，如表1所示（以86BYG250A型電機(jī)為例）：

表1 細(xì)分驅(qū)動狀態(tài)與電機(jī)的步距角

從上表可以看出：步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只為“電機(jī)固有步距角”的十分之一，就是說：‘當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了0.18°，因此，采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，減小了電機(jī)的步距角、提高了步距的均勻度，對于“提高電機(jī)的分辨率”是不言而喻的。

2）改善電機(jī)的運(yùn)行性能

采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)不僅提高電機(jī)精度，更主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運(yùn)行的振動和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。

驅(qū)動器細(xì)分后完全消除了電機(jī)的低頻振蕩：低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。并且提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時提高約30～40% 。

在對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造時，經(jīng)切削力計算、滾珠絲杠設(shè)計計算、齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算，選擇縱向進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)110BYG250B-SAKRMT-0602，步距角0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計中選擇ST-4HBXA型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用新型的雙極性恒流驅(qū)動技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床等低噪音，低振動，高精度，高速度的場合。

圖2 細(xì)分驅(qū)動器接線圖

圖2所示為步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器接線圖，當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動1.8°；驅(qū)動器工作在4細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只為“電機(jī)固有步距角”的四分之一，就是說步進(jìn)電機(jī)只轉(zhuǎn)動了0.45°；此時機(jī)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.0025mm，可以獲得更高的加工精度。

ST-4HBX驅(qū)動器的細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與步進(jìn)電機(jī)無關(guān)。ST-4HBX驅(qū)動器設(shè)計了錯相保護(hù)功能，用戶在接錯線的情況下，驅(qū)動器不會損壞，但步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行不正常，此時應(yīng)檢查電機(jī)接線是否正常，及時更正。

2 結(jié)束語

運(yùn)用信息技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造時，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，可以改善電機(jī)的性能，減小步進(jìn)電機(jī)的步距角及機(jī)床的脈沖當(dāng)量，提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度。

[1] 張曼麗,張弛.一種新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的研制[J].機(jī)床電器,2007,1:15-17.

[2] 劉寶廷等.步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[3] 李志強(qiáng),周杰,任勝杰.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2007,(7):67-69.

[4] 李忠杰,寧守信.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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1009-0134(2010)12(上)-0026-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).26

2010-08-19

陳艷紅（1968 -），女，河南開封人，副教授，工程碩士，主要從事數(shù)控加工技術(shù)、電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)等方面教學(xué)研究工作。