步进电机运行精度分析及细分电路的合理使用
冯志华（中国科学技术大学合肥230026）
l 引言
步进电机能方便地进行速度与角度控制，使其在现代自动控制方面占有越来越重要的地位。即使在开环状态下，它也能实现较高精度的位置控制。然而，步进电机在使用时，其可控角是以步为单位的，也就是说，角度是跳跃式变化的；而且由于受到加工工艺的影响，一个步长一般在1度左右，每个步长也并非完全相等，因而在精度要求较高的场合，就要求对步进电机转角误差有一定的认识，以及采取相应的提高精度的措施。
2误差的分类
在步进电机的使用中，所产生的转角误差可以分成两大类，一类与步进电机直接有关；而另外一类不仅与步进电机本身有关，还与驱动方式有关。
2.1不积累误差
不积累误差也叫静态步距角误差，指在空载条件下，步进电机的实际运行角度与理论运行角度之间的差别。为了分析方便，在不积累误差中不考虑摩擦力的影响，它与驱动电流也没有任何关系。对于一个质量较高的电机，这个误差一般在57左右。
不同步进电机的不积累误差也是不同的。对于一个特定的电机而言，其不积累误差一般是固定的。原理上可以通过预先测量这些误差，然后通过一定的补偿，以提高精度。但实际上．必须时刻知道步进电机的确切运行位置（也就是运行到哪一步），而要得到这个信息，有两个手段，一是通过其它位置传感器测知这个位置；一是设置一记忆电路，能时刻记住步进电机的位置。然而这样做的结果是增大了电路的复杂性。
由于加工上的原因，步进电机在运行整拍时相互之间的角度间隔误差保持较小的值，因此在要求较高步距精度的时候，可以考虑采用整拍运行方式。
步进电机在整转运行时其不积累误差理论上永远为零，因此在高精度驱动中，可以考虑采用整转运行方案。此时，失调角误差或回滞误差是****的误差源。
2.2失调角误差
失调角误差也叫负载角误差，指步进电机在驱动负载的条件下，为了产生一定的负载力矩，步进电机需产生一个失调角θ。根据理论计算，对于一个步距角为1.5度的三相步进电机，由于负载力矩丁而引起的角度变化为：
可见，为了得到较高的精度，则必须驱动较低的负载。
2.3回滞误差
如果加在步进电机上的负载力矩改变方向，则所产生的失调角与原来的相反。因此，即使负载保持****恒定（包括摩擦力），并假设电机无任何不积累误差，那么由于电机可能的正、反方向运行，也会产生一个相当大的角度误差。
为了消除回滞误差而提高精度，反向驱动时，可多运行一定的步数，然后返回，使负载力矩保持一个方向。
2.4重复误差
在负载****恒定的条件下，步进电机朝原来运动方向的反方向运转”步后再前进行步，它的起始位置与终止位置有差别。这个误差的来源比较复杂。_般在几角秒之内，典型值为±0. 0014。。因此，在大多数场合下是可以忽略不计的。
3通电状态对误差的影响
单相通电状态比双相（多相）通电状态的精度要高一些。这主要是由于多相通电时空载步距角将与两相绕组中的电流比有关，改变每一相电流的大小都将影响到步距角精度。在无稳流电路的情况下，这个变化有可能是相当大的。
以三相步进电机为例。附图中，设由a，b两相通电所产生的力矩分别为ta、tu，则有：
然而，对于单相通电，在负载为零的情况下，转子的定位位置与电流的大小无关。
4细分引起的误差
步进电机的步距角一般在1度左右，有时需要比这个值小得多的步距角，可采用细分技术。采用细分技术只能提高步进电机的分辨率，并没有提高其精度。
|
