[发明专利]步进电动机的″积分式″微步距控制线路

说明书

一种用于步进电动机开环、闭环微步距控制的线路，适用于微步距驱动与定位，特别适用于多维情况下的平滑增量运动控制。

已知的步进电动机微步控制线路，例如，脉冲开关型细分驱动线路（参见：《用阶梯脉冲控制步进电动机》微特电机1977、2），其细分度取决于所用脉冲开关的多少，故细分数不高。这种驱动线路的输出电压与传统线路相同仍是一脉冲串，当使用两台或两台以上受控电机去完成多维运动时，各步进电动机只能交叉改变通电方式，无法实现多台受控电机同时按指定速率和步距运动，尽管可以采用高次插补等技术，但多维运动轨迹实质上仍是不平滑的。

另一种脉冲移相式微步控制线路（参见《哈尔滨工业大学学报》1985年增刊、“电气工程专辑”），虽然最小步距当量可以达到角秒级，但线路比较复杂，开环运行时，输出波形为梯形波，能引起原理性步距误差。

本发明提出一种新型的“积分式”微步距控制线路，可实现超级细分，最小步距可小于1角秒，连续运动时，输出波形的正弦性很好。特别是多维增量运动控制时，可控制多台步进电动机按指定的要求运动或同时运动，实现多维平滑增量运动控制。

本发明包括驱动电路：方向控制与门和一个由运算放大器、电阻、电容构成的积分器，其特征在于：所述积分器的积分电容两端并联了一个受控制于积分控制脉冲的电子开关，构成开关积分电路，其输出端与驱动电路相连接，为实现步进电动机正、反两个旋转方向的控制，开关积分电路的输入端与两个受控电子开关相连接，开环连续运行时，受控电子开关的输入电压可为正弦电压，其频率决定受控步进电动机的运行速度。受控电子开关的控制脉冲和积分控制脉冲均与时钟脉冲同步，其频率决定了细分度。闭环运行时，受控电子开关的输入电压幅值与系统测量元件的误差电压成正比。为了使：误差电压大，受控步进电动机运行快，误差电压小，受控步进电动机运行慢，具有优良的动态特性。时钟电路频率与受控电子开关的输入电压幅值成正比。多维运动控制中，为了使多台受控步进电动机同时按要求的速率与步距运动，所用的多个控制线路中的各时钟电路的频率;受控电子开关的输入电压幅值相互之间是具有一定函数关系的。

附图即为本发明的控制线路图。图中包括：开关积分电路（1）;积分电子开关（2）;运算放大器（3）;受控电子开关（4）和（5）;方向控制与门（6）和（7）;时钟电路（8）;加法器前置电路（9）;功放电路（10）;控制系统的输入信号（11）和（12）;方向控制信号（13）和（14）;驱动电路（15）。

本发明应用例如下：

A.开环连续运行实例

由一程序控制器产生开关控制信号K₊、K_-、K_p+使得附图所示线路中的受控电子开关（4）和（5）及积分控制开关（2）按照一定的时序开断，从而使开关积分电路（1）的输出信号按：

变化，输出电压V_B的正弦性取决于V_in的正弦性，时钟电路（8）的频率f决定着细分数的大小。控制系统的输入信号｜V_in｜的角频率决定被控步进电动机的运行速率。

B.闭环运行实例

由位置测量元件测量出代表位置偏差的误差电压，其幅值部分经线性放大后作为控制系统的输入信号V_in[11]和[12]，其方向部分用作方向控制信号[13]和[14]，同时保证时钟[8]频率f的大小与｜V_in｜成正比关系，即f＝K₁｜V_in｜;其中K₁为常数。则由开环连续运行实例中V_B（V_in（t），t，K₊，K_-，K_p）表达式知V_B的最大值为1/RC｜V_in｜∫₀^1/fdt=｜Vin｜/RCf 1/RCK₁与幅值|V_in|无关。所以偏差越大，V_in越大，积分斜率｜V_in｜/RC越大，电机转速加快;而加到步进电动机上的电压幅值不变;反之亦然，从而该闭环控制系统具有优良的动态特性。

C.两维平面增量运动控制