步進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行精度問題

       如果我們談到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度，就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多因素都對(duì)其有影響。考慮系統(tǒng)的精度時(shí)，工程師必須知道如何讓步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器或控制器協(xié)調(diào)配合來獲得理想的運(yùn)行精度。
       一個(gè)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(jī)的問題。從步進(jìn)電機(jī)的角度來說，需要滿足一些公差標(biāo)準(zhǔn)，包括機(jī)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(duì)準(zhǔn)，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(dòng)等。達(dá)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(jī)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(dāng)?shù)睦@制工藝就能保證相電感間的一致性。很多步進(jìn)電機(jī)制造商已經(jīng)使用自動(dòng)繞線設(shè)備來保證這種一致性。當(dāng)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(jī)各相電感的一致。其他一些規(guī)格指標(biāo)則與機(jī)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(jìn)電機(jī)相電感間的誤差在±5%以內(nèi)，因此0.9度的步進(jìn)電機(jī)在使用64微步驅(qū)動(dòng)模式下，定位誤差可以達(dá)到±1.5弧分，包括精確性和準(zhǔn)確性。滿足了以上條件，步進(jìn)電機(jī)就可以完全達(dá)到指標(biāo)要求。
       剩下的任務(wù)就是讓驅(qū)動(dòng)器/控制器告訴步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)到哪兒和如何運(yùn)動(dòng)，而且不能由于驅(qū)動(dòng)器自身精度不高而降低了電機(jī)的精度。一個(gè)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器通過給電機(jī)繞組提供特定的激磁電流，告訴電機(jī)需要運(yùn)行多少個(gè)微步。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在整步模式時(shí)，精度最高，因?yàn)閯偤门c電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)相吻合。此時(shí)定轉(zhuǎn)子齒正好完全對(duì)齊，且繞組中流過的電流最大。隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，步矩角相應(yīng)減小，此時(shí)越來越難以保證定位的準(zhǔn)確了。
       典型的細(xì)分模式包括2、4、8、16、32、64、128及256微步；提高細(xì)分?jǐn)?shù)也就相應(yīng)提高了單步精度（將整步按細(xì)分?jǐn)?shù)等分來提高精度）。例如，一臺(tái)0.9度的步進(jìn)電機(jī)如果用64細(xì)分的驅(qū)動(dòng)模式，步矩角可以達(dá)到0.014度。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)器也必須按照細(xì)分規(guī)律提供給電機(jī)精確的電流值。
       圖例為4細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)各相空間矢量圖以及相電流隨時(shí)間變化的示意圖，可以直觀地表示出驅(qū)動(dòng)器每微步必須給出的電機(jī)相電流的大小和方向。從驅(qū)動(dòng)器的角度來說，輸出電流的主要部件是集成驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)器的性能由芯片的設(shè)計(jì)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(huì)影響其性能。因此即使驅(qū)動(dòng)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(biāo)百分值是（100，0）。驅(qū)動(dòng)器輸出100％的電流給A相，而B相電流為0％。當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到位置13時(shí)，座標(biāo)變成（92，38），此時(shí)驅(qū)動(dòng)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(duì)每一步分析就會(huì)知道A相和B相電流是兩個(gè)互差90度的正弦波。

       每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)都有自己特定的性能指標(biāo)，很多指標(biāo)都是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的。為低速使用設(shè)計(jì)的電機(jī)往往電感量比較大，反之為高速設(shè)計(jì)電機(jī)的電感量比較小。為了滿足不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)工程師需要調(diào)整線圈中繞組的設(shè)計(jì)，以滿足和速度、轉(zhuǎn)矩、電流、電阻以及電感相關(guān)的數(shù)學(xué)公式。因此，同一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器匹配不同電機(jī)時(shí)呈現(xiàn)出不同的運(yùn)行性能，同樣，一臺(tái)電機(jī)匹配不同的驅(qū)動(dòng)器時(shí)轉(zhuǎn)矩特性也不同。
       獲得最平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行性能及精確定位的最終解決方案就是正確的匹配電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)前最流行的做法就是把驅(qū)動(dòng)器的輸出電流設(shè)計(jì)成用戶可調(diào)，有些驅(qū)動(dòng)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(jī)特性。可調(diào)電位器允許用戶手動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器輸出電流來匹配電機(jī)特性而無(wú)需了解電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部技術(shù)。然而，對(duì)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(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，Lin Enigneering公司的高精度5709型步進(jìn)電機(jī)整步步距角為0.9度，機(jī)座號(hào)為NEMA23（2.3英寸）匹配RMS公司專為特別平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的高精度驅(qū)動(dòng)器R325，構(gòu)成完美步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，避免電流波形畸變。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)里匹配步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的5個(gè)簡(jiǎn)單步驟：
　　1. 選擇合適的電機(jī)（基于對(duì)速度和轉(zhuǎn)矩的要求）。
　　2. 確認(rèn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)中各相電感之間誤差在±5%以內(nèi)。
　　3. 選擇合適的驅(qū)動(dòng)器。如果可能的話，獲得驅(qū)動(dòng)器輸出的電流波形圖。
　　4. 確認(rèn)驅(qū)動(dòng)器上有提高運(yùn)行平穩(wěn)性的功能或者選項(xiàng)，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(dòng)器特性匹配電機(jī)電感量。通常說來，高電感量電機(jī)低速性能較好，但是需要驅(qū)動(dòng)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(jī)高速性能好，如果驅(qū)動(dòng)器能提供較低的電流阻尼（慢速續(xù)流），那么這些電機(jī)將呈現(xiàn)出良好的工作特性，因?yàn)樗麄冊(cè)陔姼心芰啃狗胚^程中無(wú)需特別的阻尼幫助。對(duì)于一些電感量中等的電機(jī)來說，可以選擇具備混合續(xù)流能力的驅(qū)動(dòng)器。

   

       一種更直接的提高電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jī)+驅(qū)動(dòng)，尺寸為NEMA 17（1.7英寸），1.8度雙極性步進(jìn)電機(jī)，工作電壓范圍從+12 到 40V dc。驅(qū)動(dòng)器通過內(nèi)置的PWM驅(qū)動(dòng)芯片控制，電機(jī)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。