步進系統(tǒng)的運行精度問題

       如果我們談到運動系統(tǒng)的精度，就會發(fā)現(xiàn)許多因素都對其有影響。考慮系統(tǒng)的精度時，工程師必須知道如何讓步進電機、驅(qū)動器或控制器協(xié)調(diào)配合來獲得理想的運行精度。
       一個常見的誤區(qū)就是把系統(tǒng)的精度誤差全部歸結(jié)為電機的問題。從步進電機的角度來說，需要滿足一些公差標準，包括機械公差和電氣公差。相繞組電感的不均衡是重要因素，其他一些原因包括極靴、轉(zhuǎn)子的不對準，定轉(zhuǎn)子間氣隙的不均勻，定轉(zhuǎn)子齒槽關(guān)系，以及轉(zhuǎn)矩脈動等。達到并持續(xù)控制這些參數(shù)并不是非常困難的事。
       我們知道，電機定子繞組的電感量正比于繞組匝數(shù)的平方，只要采用恰當?shù)睦@制工藝就能保證相電感間的一致性。很多步進電機制造商已經(jīng)使用自動繞線設(shè)備來保證這種一致性。當然，轉(zhuǎn)子磁性材料也應(yīng)具備良好的一致性從而保證電機各相電感的一致。其他一些規(guī)格指標則與機械有關(guān)。只要制造商使用可靠的、高品質(zhì)的部件及優(yōu)良的工藝控制來保證定轉(zhuǎn)子均勻的磨削量，就能獲得滿意的精度。正如Lin Engineering 公司的Belal Azim所說，由于保證了兩相雙極性步進電機相電感間的誤差在±5%以內(nèi)，因此0.9度的步進電機在使用64微步驅(qū)動模式下，定位誤差可以達到±1.5弧分，包括精確性和準確性。滿足了以上條件，步進電機就可以完全達到指標要求。
       剩下的任務(wù)就是讓驅(qū)動器/控制器告訴步進電機應(yīng)該運動到哪兒和如何運動，而且不能由于驅(qū)動器自身精度不高而降低了電機的精度。一個細分驅(qū)動器通過給電機繞組提供特定的激磁電流，告訴電機需要運行多少個微步。步進電機運行在整步模式時，精度最高，因為剛好與電機的機械設(shè)計特點相吻合。此時定轉(zhuǎn)子齒正好完全對齊，且繞組中流過的電流最大。隨著細分數(shù)的增加，步矩角相應(yīng)減小，此時越來越難以保證定位的準確了。
       典型的細分模式包括2、4、8、16、32、64、128及256微步；提高細分數(shù)也就相應(yīng)提高了單步精度（將整步按細分數(shù)等分來提高精度）。例如，一臺0.9度的步進電機如果用64細分的驅(qū)動模式，步矩角可以達到0.014度。當然，驅(qū)動器也必須按照細分規(guī)律提供給電機精確的電流值。
       圖例為4細分驅(qū)動模式下電機各相空間矢量圖以及相電流隨時間變化的示意圖，可以直觀地表示出驅(qū)動器每微步必須給出的電機相電流的大小和方向。從驅(qū)動器的角度來說，輸出電流的主要部件是集成驅(qū)動芯片。驅(qū)動器的性能由芯片的設(shè)計決定。其他如選用的MOSFET、電阻電容、電路布線、相應(yīng)的固件（軟件）以及不合理的散熱方式等也會影響其性能。因此即使驅(qū)動控制芯片能給出平滑且精確的正弦電流波形，仍然不能保證獲得最優(yōu)的精度。
在相繞組空間示意圖中的位置12處，A相和B相的座標百分值是（100，0）。驅(qū)動器輸出100％的電流給A相，而B相電流為0％。當電機運動到位置13時，座標變成（92，38），此時驅(qū)動器輸出滿電流的92％給A相而B相得到38％。按照這樣的方式對每一步分析就會知道A相和B相電流是兩個互差90度的正弦波。

       每臺步進電機都有自己特定的性能指標，很多指標都是根據(jù)實際應(yīng)用要求設(shè)計的。為低速使用設(shè)計的電機往往電感量比較大，反之為高速設(shè)計電機的電感量比較小。為了滿足不同的運動規(guī)律，步進電機設(shè)計工程師需要調(diào)整線圈中繞組的設(shè)計，以滿足和速度、轉(zhuǎn)矩、電流、電阻以及電感相關(guān)的數(shù)學公式。因此，同一臺驅(qū)動器匹配不同電機時呈現(xiàn)出不同的運行性能，同樣，一臺電機匹配不同的驅(qū)動器時轉(zhuǎn)矩特性也不同。
       獲得最平穩(wěn)運行性能及精確定位的最終解決方案就是正獲得最平穩(wěn)運行性能及精確定位的最終解決方案就是正確的匹配電機及驅(qū)動器。當前最流行的做法就是把驅(qū)動器的輸出電流設(shè)計成用戶可調(diào)，有些驅(qū)動器可以通過可調(diào)電位器（adjustable trim pot）改變輸出電流波形，有些可調(diào)節(jié)增益，還有一些可以通過圖形用戶界面下載特定的正弦表來適配電機特性?？烧{(diào)電位器允許用戶手動調(diào)整驅(qū)動器輸出電流來匹配電機特性而無需了解電機和驅(qū)動器的內(nèi)部技術(shù)。然而，對希望獲得最佳匹配性能的用戶來說這些方法仍有缺陷。



       高精度首先來源于步進電機的設(shè)計，Lin Enigneering公司的高精度5709型步進電機整步步距角為0.9度，機座號為NEMA23（2.3英寸）匹配RMS公司專為特別平穩(wěn)的運動控制設(shè)計的高精度驅(qū)動器R325，構(gòu)成完美步進電機系統(tǒng)，避免電流波形畸變。

　　運動控制系統(tǒng)里匹配步進電機和驅(qū)動器的5個簡單步驟：
　　1. 選擇合適的電機（基于對速度和轉(zhuǎn)矩的要求）。
　　2. 確認電機技術(shù)指標中各相電感之間誤差在±5%以內(nèi)。
　　3. 選擇合適的驅(qū)動器。如果可能的話，獲得驅(qū)動器輸出的電流波形圖。
　　4. 確認驅(qū)動器上有提高運行平穩(wěn)性的功能或者選項，如調(diào)節(jié)續(xù)流阻尼深度（慢速或者快速電流衰減）或可調(diào)整電流波形的電位器。
　　5. 根據(jù)驅(qū)動器特性匹配電機電感量。通常說來，高電感量電機低速性能較好，但是需要驅(qū)動器具備高電流阻尼（快速續(xù)流），能讓電流在續(xù)流期間快速下降。阻尼有助于電感的快速放電。低電感量電機高速性能好，如果驅(qū)動器能提供較低的電流阻尼（慢速續(xù)流），那么這些電機將呈現(xiàn)出良好的工作特性，因為他們在電感能量泄放過程中無需特別的阻尼幫助。對于一些電感量中等的電機來說，可以選擇具備混合續(xù)流能力的驅(qū)動器。

   

       一種更直接的提高電機和驅(qū)動器整體精度的解決方案就是集成單元。Lin Enigneering公司的SilverPak D就是這么一款集成了電機+驅(qū)動，尺寸為NEMA 17（1.7英寸），1.8度雙極性步進電機，工作電壓范圍從+12 到 40V dc。驅(qū)動器通過內(nèi)置的PWM驅(qū)動芯片控制，電機相電流能從0.1到 1.5A（峰值）精確控制。步距角可為0.5、 0.25、0.125、0.0625、 0.03125及 0.015625 度。