步进电机细分电波形的选择

1引言 步进电动机采用细分驱动能提高分辩率，减少力矩波动，解决步进电动机的低频共振。如何选取细分电流，使步进电动机的微步距角更均匀，一直是细分技术所要解决的主要问题。本文从获得圆型旋转磁场来确定细分电流，找出较佳的细分方案，得到了满意的细分效果。 2对细分电流的基本要求 对于打m相步进电动机，各相绕组之间是空间对称的，当通以m相对称电流时，就会产生旋转磁势和磁场，其中主要是基波旋转磁势和磁场。理想的磁场应当是一个圆型旋转磁场，由于步进电动机的空间谐波分量较丰富，要想获得一个接近圆型的旋转磁场，各相电流应为对称的正弦波，即： 对非正弦的电流波形，就应尽量消除电流中的高次谐波分量。因此，对细分电流波形的基本要求是： a．m相步进电动机的相电流的相互相角差应是2π/m电角度。 b．相电流中基波分量要大，高次谐波分量要少。 第一条是产生旋转磁势的必要条件。对于第二条，相电流中的基波分量大，电机转矩大；高次谐波分量少，步距细分均匀度高[1,2]。 3细分方法与几种电流波形的比校 对m相步进电动机，一个步距为2π/m电角度。若把一个步距变为n个微步，可把电流波形在2π/m电角度内做n次等距细分，取各相细分点电流来驱动步进电动机，从而实现一个步距的n次细分。 不同的细分电流波形，会有不同的细分效果。在电流的高次谐波分量中，其主要成分是2次与3次谐波。为观察高次谐波对步距细分均匀度的影响，选取几种含有不同谐波成分的电流波形加以比较。 设一周期函数如图1所示，在（O，π）区间此函数的表达式为： 为分析波形所含谐波成分，用富氏级数把此周期函数展开，则： 对图1，只要确定X₁、X2的值，就可得到不同的波形，且由式(5)可知波形所含的谐波附。附表列出了3种波形的X₁与X₂的取值与所含主要的谐波。 从附表可以看到波形a有较大的2次谐波，2次谐波的幅值为基波幅值的百分之25。波形b有较大的3次谐波，3次谐波的幅值为基波幅值的百分之22.2，波形c的2、3次谐波都为零，且基波分量较大。 若以波形a、b、c作为细分电流波形，从获得较佳的细分效果的基本要求来看，波形a.b都不满足基本要求，因为波形a、b中含有较大的2次或3次谐波，2，3次谐波的存在将会使步进电动机的步距细分均匀度较差。波形c满足基本要求，它的高次谐波分量少，特别是不含有2、3次谐波。因此，它的细分效果较好，且步距细分均匀度与正弦波的步距细分均匀度相似。 4试验结果 用BF159075-C塑三相反应式步进电 动机做细分驱动试验。细分电流由微机，D/A转换器经驱动线路实现[3]。图2是对应于表1的细分电流波形与正弦细分电流波形，把电流波形在120度（电角度）内作32等距细分，取细分点电流输出，从而实现一个步距的32细分。 微步距的测试装置采用一个电磁传感器，线圈固定在步进电动机的轴上，步进电动机微步运动时，线圈切割恒定磁场，感应出电压信号，用记忆示波器记出，由此信号可观察出步进电动机的微步运行状态。 图3a、b、c、d是对应于图2a、b、c、d4种细分电流波形测得的试验曲线。这些曲线是在空载、低速时测得的。曲线中的每一个小脉冲代表一个微步。当步进电动机每一微步的角位移相同时，各小脉冲的峰值应相等。峰值的包络线反映了步进电动机的微步位移，峰值的包络线较平坦，步进电动机的步距细分均匀度就高。否则，步距细分均匀度就较差。 从试验曲线可看到，图3a、b曲线的峰值包络线起伏较大，因而其步距细分均匀度较差，它们的细分电流波形含有较大的2次或3次谐波。图3c、d曲线的峰值包络线起伏较小，说明其步距细分均匀度较好，它们的细分电流波形不含有2、3次谐波。 5 结 论 a．采用此细分方法，在细分电流波形中，2次或3次谐波分量的存在，都会对步进电动机的步距细分均匀度产生不利影响。 b．按基本要求选择的梯形纲分电流波形（不含2、3次谐波），其步距细分均匀度较好，且与正弦细分电流波形的步距细分均匀度相似。在正弦波不宜实现的细分驱动线路中，采用此梯形细分驱动电流波形，同样会取得较好的细分效果。