文档介绍：步进电动机高精度细分方法及其控制系统
叶韦韦华南师范大学电信工程系 99 级
引言
本论文题目来自对现有椭偏仪进行技术改进工作中的“用步进电机取代传
统直流减速电机”的研究课题。椭圆偏振测量技术是一种测量薄膜厚度和研究其
表面特性的先进方法,具有灵敏度高、精度高、实时和无损样品的优点。在半导
体、光学材料、表面物理、化工、冶金、生物和医学等领域都有重要应用。
传统的椭偏仪由于使用了直流电机,在定位过程中存在自动化水平低、操
作复杂、精度难以保证和成本高(因需要配高精度光电旋转编码器)等不足,为
提高椭偏仪的定位精度和自动化水平,研制出一种高精度自动定位系统无疑具有
十分重要的意义。
本系统采用步进电机代替直流电机,但现有步进电机的最小步距角还未能
达到本系统的要求,所以要在步进细分技术上作探讨。利用步进电机的准确动作
和步进电机的细分技术,解决椭偏仪的角度与光强必须准确对应关系的问题。其
中,当步进电动机的细分角度越小,越有利于提高步进电动机的角位、点位及连
续控制方面的定位精度,越有利于与计算机联机,实现全自动化控制。同时,还
可以大大提高步进电机的分辨率,大大改善步进电动机在动态运转时的特性。
由于工业技术的不断进步,在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以
及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高新技术领域内,对步进电机的
细分要求也越来越高。
因此,多年来,国内外的同行都在努力寻求步进电动机细分技术的最佳方
案及最高细分精度。本文所介绍的自动定位系统是在原椭偏仪系统的前提下,采
用步进电机计算机细分控制技术建立起来的。
一. 一. 步进电机的基本原理
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系
统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域
都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信
号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固
定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目
的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步
进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点,广泛
应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式
步进电机(HB)和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为 度或 15 度;
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为 度,但噪声和振动
都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的
变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角
一般为 度而五相步进角一般为 度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分
驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数:
电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步
距角的值,如 86BYG250A 型电机给出的值为 °/°(表示半步工作时为 °、整步工作
时为 °),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正
步距角,真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数:
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数
不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为 °/°、三相的为 °/°、
五相的为 °/° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来
满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱
动器上改变细分数,就可以改变步距角。
保持转矩(HOLDING TORQUE):
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数
之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大
而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要
的参数之一。比如,当人们说 的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为
的步进电机。