提高步进系统精度的措施

GeorgeEllis 2010-01-12 17:39
步进系统是一个开环系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几方面考虑：如改善步进电机的性能，减少步距角；采用精密传动副，减少传动链中的传动间隙等。但这些因素往往由于结构工艺的关系而受到一定的限制。在这种情况下，还可以从控制线路上采取一些措施以弥补其不足。下面介绍几种常见的提高系统精度的方法。
(1)细分控制电路
所谓细分电路，是把步进电动机的一步再分得细一点。如十细分电路，将使原来输入一个脉冲电机走一步变为输入十个脉冲才使电机走一步。换句话说，采用十细分电路后，在迸给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的十分之一。自然，这时相对于最高移动速度的进给脉冲频率要提高十倍。
步进电动机在细分状态下运行，由于步距角变小，转子到达新稳态点所具有的动能也变小，使振动显著减小。因此，细分电路不但可以实现微量进给，而且可以保持系统原有的快速性，另外，也提高了步进电动机在低频段运行的平滑性。
不用细分时，绕组电流是由零跃升到额定值的，相应的角位移如图13.10(a)所示。采用细分后，绕组电流要经过若干小步的变化，才能达到额定值，相应的角位移如图13.10(b)所示。例如五相步进电机，在普通的五相十拍运行方式的基础上，再将每一拍细分成十个小拍，即把一次通电状态的改变细分为十次阶梯电流变化，当从ABC通电状态转换成BC通电时，其中A相绕组的通电状态变化为：ABC—AO.9BC—AO.8BC—AO.7BC—AO.6BC—AO.5BC—AO.4BC—AO.3BC—AO.2BC—AO.1BC—BC，即每一小步绕组电流仅变化额定值的十分之一。可见，采用细分后使绕组中励磁电流的变化比较均匀。

(2)自动升降速控制电路
自动升降速控制电路有许多种，有用可逆计数器构成的，也有用积分器组成的，还有用数字脉冲乘法器原理实现的。下面仅介绍一种带有可逆计数器和数／模转换的自动升降速电路的工作原理。
如图13. 11所示，设Pa为运算器送来的进给脉冲，其频率为fa；Pb为实际送人步进电机环形分配器的工作脉冲，其频率为fb。Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器，同步器的作用在于保证不丢失Pa和Pb，并使Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入可逆计数器时作减法。可逆计数器中记下的是进给脉冲与工作脉冲数之差，设此数为N，送入数／模转换装置，由数／模转换装置的输出控制振荡器的振荡频率，将N的变化转成振荡器的振荡频率的变化。振荡器的输出就是自动升降速电路的输出，该输出是频率为fb的脉冲，既将它送入分配器控制步进电机，同时又反馈到自动升降速电路的输入端构成一个闭环系统。当输入量fa为阶跃值时，输出量fb却是缓慢变化的，从而达到自动升降速的目的。由上述分析可知，只有当可逆计数器内的存数N不为零时，才有输出脉冲。

 
整个自动升降速的过程可用图13.12表示。当输入不变的进给脉冲fa后，工作脉冲fa则是个变量，它从某一低频fb0升高到fa。而fa、fb都要送入可逆计数器，为了避免两者由于重叠或相隔很短所造成的计数误差，使它们都通过同步器，保证其计数正确。

在进给开始时fa＞fb，可变频振荡器的频率较低，所以反馈脉冲（即工作脉冲）数比进给脉冲数少，因而可逆计数器的寄存数Ⅳ逐渐增加，振荡器的频率逐步提高，经过时间f后使fb= fa，达到平衡，这就是升速过程。
在fb=fa后，可逆计数器的存数不变，因而振荡器的频率亦稳定下来，这时反馈脉冲频率和进给脉冲频率相一致，这就是恒速（或称为匀速）过程。
如果运算已到达终点，进给脉冲fa变为零，此时可逆计数器只有反馈脉冲。因此，可逆计数器中的存数逐步减少，反馈脉冲的频率亦逐步降低，直到可逆计数器中的存数为零即可逆计数器全“o”，步进电机才停止工作。这个过程就是降速过程。由以上分析可知，在整个升速、匀速和降速的过程中，步进电动机所走的步数和指令的进给脉冲数相等。
(3)传动误差补偿
在实际使用过程中，由于设备的刚性、环境的温度、负载的变化都可能带来一定的传动误差，这样只靠开环系统的各环节去克服，就有一定的难度。而且随着长时间使用，机械部件的磨损和变形会产生一些误差，因而需要采用各种补偿功能，以便改善开环系统的位置精度。常用的齿距误差和反向间隙补偿的原理是：根据实际的传动间隙或齿距误差的大小，每当出现反向或移动到有齿距误差的位置时，用硬件线路来补充一定的进给脉冲来克服。也可以利用程序进行补偿，以达到减少偏差的目的。在微机中多采用针对不同的误差源进行专项牢h偿的方法，如进行齿隙补偿和螺距补偿等。在微机系统中，常将各种补偿参数存放在RAM中，当程序判断该进行补偿时，计算机便立刻查找表格，取出补偿值，再进行有关的修正计算，从而完成补偿任务。
(4)步进电动机的闭环控制
就步进电动机而言，关键在于电动机应能遵循每个脉冲指令，以便在控制运行结束时，所走的总步数等于给定脉冲的总数。遗憾的是，在开环控制下，步进电动机的性能却常常受到限制。
输入脉冲链的频率太高，电动机不能完全跟上脉冲的变化是屡见不鲜的。一般地说，一台步进电动机具有什么样的性能，在很大程度上取决于用什么方法控制它。因为如果没有反馈，就无法知道电动机是否丢失脉冲，或者电动机的转速响应是否摆动过分，所以步进电动机的开环性能受到限制是理所当然的。
采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的正确相位转换，可以大大地改进步进电动机的性能。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的许多其他领域内获得更大的通用性。

图13. 13表示的是一种利用步进电动机的闭环伺服系统的方框图。参考输入信号用电压形式表示。电压形式的误差信号由压控振荡器(VCO)转换成驱动步进电动机的脉冲链。步进电动机会按误差的大小和符号作出响应，并按正确的方向旋转，直至误差消除为止。
步进电动机使用锁相环路原理也能实现转速控制。图13.14是说明锁相环路的方框图。锁相环路的目的是要使步进电动机能跟踪输入的脉冲链。

绝大多数步进电动机闭环控制系统都是使用脉冲负反馈来响应电动机的位移。图13. 15的方框图说明了这种步进电动机闭环控制线路的各个环节。在这种情况下，编码器可以是一种光电装置，也可以是一种磁感应装置，它们能够对电动机运动的每一步给出一个或多个脉冲。步进电动机开始由输入指令的一个脉冲启动，后续的脉冲则是由编码器装置产生的。因此，图13. 15的闭环系统不同于通常控制系统技术中闭环系统的运行原理。就图13.15来说，步进电动机系统中的闭环不产生稳定性问题。事实上，系统的稳定性还得到改善。