基于可控电流源的高精度高细分步进电动机细分驱动
姜杏辉，邹丽新，孙平，马励行，季晶晶
(苏州大学，江苏苏州215006)
摘要：介绍了一种基于可控电流源实现高精度高细分步进电动机细分驱动的方法，该方法是在已有驱动技术的基础之上，用精密可控电流源进行细分驱动，采用实验法和最小二乘法相结合进行电流修正，从而补偿了步进电动机励磁曲线的非线性，提高了单步细分运行的精度。实测结果证明该细分方法具有细分线性好、无积累误差、转动噪声小的优点，特别适用于要求微位移的控制系统中。
关键词：步进电动机；可控电流源；细分驱动；非线性补偿
中图分类号：TM383．6 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)05—0021—04
引言
步进电动机是精密控制系统中重要的执行部件，为了实现高精度定位和微小位移，常采用具有电细分的步进电动机驱动技术。目前使用较多的电细分驱动电路有斩波恒流驱动与脉冲宽度调制驱动方法[1-2]，虽然斩波恒流驱动和脉冲宽度调制驱动均能实现步进电动机的细分，也具有较高的细分数和无积累误差等特点，但由于励磁绕组的互感带来的误差，其细分的均匀程度即单步运转的精度依然是步进电动机细分的一个瓶颈。本文介绍的基于可控电流源的高精度高细分步进电动机细分驱动方法是在已有驱动方法的基础之上，提出用精密可控电流源进行细分驱动，使得励磁线圈中流经的电流为稳定的直流，从而提高了单步细分运行的精度，使得细分运行角度达到了整步运行角度的1／512，单步细分运行误差小于±百分之20。
1电细分驱动原理
步进电动机的细分驱动是通过对励磁绕组电流的控制，使步进电动机定子的合成磁场成为按细分；步距旋转的均匀磁场，带动转子转动，从而实现步进i电动机按细分后的步距角转动。以两相混合式双线绕组步进电动机为例，理想状态下相应绕组的感应电压为：  式中：zr为转子齿数，ωr为转子角速度，θe为转子角度，转子永磁体产生的磁链ψ与转子位置角有关变化周期为一个距齿角2π电弧度。由于混合式步：警进电动机所含的谐波分量很小，可以忽略不计，则：
不计铁心饱和的影响，应用叠加原理，两相混合式步进电动机两相通电时电磁功率为：
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。在合成某一位置指响为θe时，Te=0，则有：
可满足式(6)两边相等，代人式(5)满足Te=0，即相邻两相产生的转矩之和为零，电机到达新的平衡位置。式(7)中：im为绕组电流的额定值，θe=zrθ,θ为实际转过的步距角(θe、θ都以整步平衡位置为坐标原点)，根据细分要求，得到相应的电流值[3]。
由式(7)的细分驱动理论模型可知，只要控制电机相邻两个励磁线圈中通过电流的变化规律，使之符合该数学模型，就可以形成一个按细分步距旋转的均匀磁场。然而这个理论成立的前提是励磁线圈所产生的磁场幅度与所加的励磁电流严格成线性关系。然而对于所有的铁磁质而言都存在着磁饱和现象，包括步进电动机的励磁材料，则步进电动机励磁线圈所产生的磁场幅度就与所加的励磁电流成非线性关系，式(6)、式(7)中的数学模型并不能产生均匀的圆形旋转磁场[4]，因此要对其进行修正。本文采用实验法和最小二乘法相结合进行修正。
2电细分驱动控制电路
电细分驱动控制构成如图1所示，主要分为细分信号产生电路和精密可控电流源两部分。
细分信号产生电路包括FPGA模块、D／A转换电路和电平调整部分。FPGA采用AI朋RA公司的cvcloneI系列EPlc6Q240芯片，系统时钟由50 MHz的有源晶振提供，设计中主要应用该芯片的内部 |
