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所在位置:工控博客苑 -- 运动控制系统 -- 步进电机细分数对运动平台性能影响

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钟天玉先生

     学历:大学本科
     职称:工程师
     年龄:37岁
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发表人:zhong2010 发表时间:2010-5-9 20:46:00

 

发表新论题

 本栏论题: 步进电机细分数对运动平台性能影响  [5165]
    步进电机细分数对运动平台性能影响
   
    Research of stepping motor’s microstep size effect on the performance of motion stage
   
   
    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。
   
   
   
    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:
   
   
   
    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。
   
   
   
   
   
    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2 r/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。
   
   
   
   
   
    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。
   
   
   
   
   
   
   
    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%
   
    2
    0.25
    0.191
    0.313
    0.059
    0.063
    23.6
    25.2
   
    4
    0.125
    0.095
    0.157
    0.03
    0.032
    24.0
    25.6
   
    8
    0.0625
    0.046
    0.082
    0.0165
    0.0195
    26.4
    31.2
   
    16
    0.03125
    0.016
    0.045
    0.0155
    0.0135
    49.2
    42.9
   
   
   
   
    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
   
   
   
 

以下是关于《步进电机细分数对运动平台性能影响》论题的回复(共1篇)

回复人:delphia

 回复时间:2010-5-27 21:22:00

    平台性能影响
   

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