羅東輝

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

步進電動機作為開環(huán)位置和速度伺服驅動元件，具有使用方便、可靠性高等優(yōu)點，目前在很多運動控制場合依然采用了步進電動機伺服驅動方式。但由于步進電動機的固有特性，因此在應用中通常存在以下兩個問題:

(1)由于步進電動機的力矩脈動較大，因此在運行過程中尤其是在低頻運行時存在著較大的振動和噪聲;

(2)由于步進電動機的加工原因，一般步進電動機的步距角都比較大，二相混合式步進電動機的整步步距角一般為0.9°和1.8°，因此在一些場合滿足不了定位分辨率的要求。

為了解決上述這兩個問題，在步進電動機驅動方式上大多采用了細分驅動(國外稱為微步驅動microstep drive)的方法，細分驅動是一種增加電機運行平穩(wěn)性、提高定位分辨率的有效方法。

本文通過對二相混合式步進電動機在細分運行時的步距均勻性的分析，給出了對步矩角細分精度的自動補償方法，從86BH001 型二相混合式步進電動機進行自動補償前后的數據對比可以看出，經過自動補償后步進電動機的細分步矩角精度得到了很大提高。

1 步進電動機細分精度分析及補償方法

二相混合式步進電動機的簡單模型如圖1 所示，當步進電動機單相通電時，其穩(wěn)態(tài)轉矩:

式中:θ 為電機轉子偏離參考點的角度，i 為繞組中通過的電流。假設:

(1)電機磁路為線性，即T =k1i;k1為力矩系數。

(2)矩角特性為正弦型，即T=TMsinθ;TM為最大轉矩;θ 為電機轉子偏離參考點的角度。

圖1 二相混合式步進電動機的簡單模型

這時當電機二相繞組通以正交的正弦波電流，即:

Im為步進電動機繞組的最大電流時，電機的穩(wěn)態(tài)轉矩可表達成:

根據電機的向量時空圖，如圖2 所示，式(1)、式(2)可寫成:

式中:K=k1TM。

圖2 向量時空圖

因此電機的合成輸出轉矩T = Ta+ Tb= KIm?？梢?，當二相繞組通以正交的正弦電流時，對于理想的二相混合式步進電動機，其輸出轉矩為恒定值，如果將正弦電流等分量化后(量化后的正弦波稱之為擬正弦波)，則能夠得到均勻的細分步距角。

但是，對于通常的二相混合式步進電動機，由于電機的矩角特性并非為理想的正弦型和電機磁路的飽和造成的電機磁路非線性，因此當二相繞組通以正交擬正弦電流時，細分步距角的精度將會變差。實測86BH001 型二相混合式步進電動機當二相繞組通以16 細分量化的正交擬正弦波電流時的細分步矩角與細分步數之間的關系如圖2 所示，與理論值相比，其最大誤差達0.216 5°，而理想的細分步距角為0.112 5°。

由此可見，當直接通以擬正弦波電流時細分步矩角誤差相當大。如果想得到均勻的細分步距角就必須對圖3 中的曲線進行補償。

圖3 二相步進電動機細分角度測試曲線

對步進電動機細分電路進行電流補償，一般采用先在步距角測量儀上測出二相繞組通以細分量化的正交電流時的細分步距角與步進電動機的轉子機械位置角之間的關系，再利用插值的方法對其誤差進行補償。插值的方法有很多種，如諾頓插值、線性插值等等。實驗表明，在對步進電動機細分步距的數據進行插值時，采用線性插值即可得到滿意的結果。

設θ 為步進電動機的整步步距角，N 為細分數。對于N 細分時每一細分步的擬正余弦電流值可表示:

式中:x=1，2，…，N;Im為步進電動機繞組的最大電流。

通過試驗而測得的一組實際細分步距角為θ'

2 細分電路電流補償的實際實現

由以上討論可見，要實現步進電動機的細分，必須在步進電動機的二相繞組中通以補償后的擬正弦波電流。目前，國內外有很多集成電路生產廠家均推出了系列的步進電動機細分專用驅動芯片，如海華博遠、TI、ALLEGRO、ONSEMI、TOSHIBA 等公司均提供集成的此類芯片。這類芯片外圍電路簡單、工作穩(wěn)定可靠，但是都存在一個共同的缺陷:它們都通過采用在電機繞組中通以擬正余弦電流來實現細分驅動，對于專為細分運行設計的步進電動機來講，這種電流波形在驅動時能得到較高的細分精度，但是，當驅動通用步進電動機時，往往會產生較大的細分角度誤差，影響了步進運行的均勻性，而采用步進電動機細分專用驅動芯片時，要對步進電動機的相電流進行補償比較困難。

隨著半導體技術的發(fā)展，嵌入式微處理器的功能越來越豐富、性能越來越提高、價格越來越便宜，采用嵌入式微處理器為核心設計的二相步進電動機驅動器，可以方便地進行細分電流的自動補償，其電路框圖如圖4 所示。其中嵌入式微處理器采用ST公司的M3 系列的ARM 處理器STM32F103，橋式功率放大器采用八只分立的VMOS 管IRF540 組成二個H 橋，VMOS 管的驅動由IR2104 來完成。

圖4 細分驅動器系統(tǒng)框圖

3 細分電路電流的自動補償方法和試驗結果

采用上述測出二相繞組通以細分量化的正交電流時的細分步距角與步進電動機的轉子機械位置角之間的關系，然后進行插補求出補償后的電流值，再寫入程序中進行校驗的方法比較繁瑣，工作量較大。

針對這種情況，本文給出了一種細分電流的自動補償辦法，試驗裝置安裝示意圖如圖5 所示。試驗時用聯(lián)軸器將步進電動機與編碼器連接在一起，安裝時盡量保證電機和編碼器的同軸性。其中步進電動機驅動器采用圖4 所示的驅動器;步進電動機為與圖3 測試時所用同一電機，整步步距角為1.8°;編碼器采用增量式光電編碼器，型號為RI40K/35CQ，每圈脈沖數40 000，經微處理器STM32F103內部四倍頻后分辨率可達8.1″。

圖5 試驗裝置安裝示意圖

步進電動機細分自動補償的軟件框圖如圖6 所示。試驗時設置補償精度為0.012 5°、步進電動機細分數為16。上電后，首先在電機二相繞組中通以16 細分量化的正交電流，每一細分步時單片機均讀取相對應的細分步距角，測出一組16 個步進電動機細分步距的數值，然后對細分電流進行插值求出細分電流的補償值，然后使用補償后的細分電流值再一次測量細分精度，如果補償后精度達不到要求，則對補償后的細分電流數值再次進行插值補償，直至達到所期望的精度。

圖6 自動補償的軟件框圖

補償后，采用日本小野公司的AP -370 測角儀和AM-610 信號處理器對步進電動機補償后的步距角精度進行了測試，測試數據顯示補償后的最大細分誤差為0.011 5°。補償后的步距角和理論步距角對照如圖7 所示，與圖1 相比，自動補償后的細分步距角精度提高了一個數量級。補償后的繞組電流和理論電流對照如圖8 所示。

圖7 補償后的步距角和理論步距角對比

圖8 補償后的實際電流和理論電流對照

4 結 語

對于二相雙極型混合式步進電動機的細分，由于不同的電機T/I 曲線的不同，因此需要采用不同的細分電流曲線來對其步距角進行細分。而試驗表明，對于同一廠家的同一型號步進電動機，其補償值基本相同，因此，在這種情況下只需要對一臺電機進行補償即可滿足要求。

采用可編程驅動器進行自動補償使得對細分電流的修正變得十分方便，在不增加硬件電路成本的情況下，大大減小了細分補償的工作量，提高了步進電動機驅動器的性價比。

［1］ 王季秩，曲家騏. 執(zhí)行電動機［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［2］ 坂本正文. 步進電機應用技術［M］.王自強，譯.北京:科學出版社，2010.

［3］ Driving bipolar stepper motors using a medium-density STM32 -F103xx micro_controller［EB/OL］.http://www.st.com/st-web- ui/static/active/en/resource/technical/document/application _note/CD00207733.pdf.