[发明专利]步进电动机高精度细分方法及其控制系统

说明书

本发明属于步进电动机技术领域。涉及一种步进电动机高精度细分方法及其控制系统。

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、数模转换等高新技术领域内，对步进电动机的细分技术提出了越来越高的要求。步进电动机的细分角越小，越有利于提高步进电动机的角位、点位及连续轨迹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，还可大大提高步进电动机的分辨率，大大改善步进电动机在动态运转时的特性。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。目前国内外的现有技术状况可以从国际联机检索得到的国内外19个数据库中的与本课题有关的文献报导中得到反映(见附件《国际联机检索报告》)：即目前国内外的步进电动机细分技术的最高微步距角细分水平为25.5″(美国帕克公司产品说明附件)。而随着科学和工业技术发展，这一细分水平对于目前很多要求5″以上的微步距角来说，仍远远不能满足要求。为什么长期以来步进电动机的细分技术停留在25.5″的水平上而不能再细分？对这一问题的研究结果表明：现有技术首次获得较高分辨率的细分方法采用的是一种称为半拍步进的方法，即在对步进电动机的步距角进行细分时，将步进电动机的控制位置数(以四相混合式步进电动机为例)的四拍通电逻辑顺序变为八拍通电逻辑顺序，从而将步距角降为原来的一半。以后在这种方法的基础上继续改进为电流合成矢量i_H不是一下变动45个电角度，而是一次变化一个较小的角度θ_f，这样就将步距角由原来的45°变为后来较小的微步距角θ_f。当通电时，电流合成矢量在0～45°范围内，仅让一相绕组的电流在变化，即只有i_A在变化，i_B不变；在45°～90°范围内，仅让i_B一相绕组的电流变化，i_A不变。这种细分驱动方法的优点是只需改变某一相绕组的电流值，因此在硬件电路的设计上就比较容易实现。但是这种方法却带来了一个不可克服的缺陷，即电流合成矢量i_H在旋转过程中的幅值是处在不断变化的状态中(见图1、图2)，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值Δθ已大于所要求细分的微步距角，使得微步距角的继续细分实际上失去了意义(见图3)。这就是现有细分技术方案不能达到超高分辨率的根本原因。为解决这个问题，很多资料都曾经提出对细分电流进行修正的方法，但一直未见一个实用、统一的数学模型及可行的细分方法问世。

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于：

1．从理论和实践的角度，建立一种新的步进电动机高精度细分方法和数学模型，以消除现有技术方案中不可克服的滞后角变化的Δθ值所引起的问题，使细分技术提到更高的水平；

2．提供一套新原理方法指导下的硬件控制电路；

3．提供一种对细分控制函数进行修正的电路及其相应的计算机自动修正程序；

现将本发明的构思及技术解决方案叙述如下：

从以上的分析可知，步进电动机的细分驱动都是通过电流合成矢量的旋转来实现的，要消除现有技术中由于滞后角的变化引起的Δθ值大于微步距角而导致不可继续细分的问题，只有使电流合成矢量i_H形成新的矩角特性曲线，为达到这一点，必须满足以下两个条件：

一．电流合成矢量旋转时每次变化的角度要均匀；

二．电流合成矢量的大小或幅值要保持恒定不变。

基于这两个条件，即可建立“电流矢量恒幅均匀旋转”细分驱动方法。本发明的细分方法其特征在于：