| l 引言 步進電機能方便地進行速度與角度控制，使其在現代自動控制方面占有越來越重要的地位。即使在開環狀態下，它也能實現較高精度的位置控制。然而，步進電機在使用時，其可控角是以步為單位的，也就是說，角度是跳躍式變化的；而且由于受到加工工藝的影響，一個步長一般在1度左右，每個步長也并非完全相等，因而在精度要求較高的場合，就要求對步進電機轉角誤差有一定的認識，以及采取相應的提高精度的措施。 2誤差的分類 在步進電機的使用中，所產生的轉角誤差可以分成兩大類，一類與步進電機直接有關；而另外一類不僅與步進電機本身有關，還與驅動方式有關。 2.1不積累誤差 不積累誤差也叫靜態步距角誤差，指在空載條件下，步進電機的實際運行角度與理論運行角度之間的差別。為了分析方便，在不積累誤差中不考慮摩擦力的影響，它與驅動電流也沒有任何關系。對于一個質量較高的電機，這個誤差一般在57左右。 不同步進電機的不積累誤差也是不同的。對于一個特定的電機而言，其不積累誤差一般是固定的。原理上可以通過預先測量這些誤差，然后通過一定的補償，以提高精度。但實際上．必須時刻知道步進電機的確切運行位置（也就是運行到哪一步），而要得到這個信息，有兩個手段，一是通過其它位置傳感器測知這個位置；一是設置一記憶電路，能時刻記住步進電機的位置。然而這樣做的結果是增大了電路的復雜性。 由于加工上的原因，步進電機在運行整拍時相互之間的角度間隔誤差保持較小的值，因此在要求較高步距精度的時候，可以考慮采用整拍運行方式。 步進電機在整轉運行時其不積累誤差理論上永遠為零，因此在高精度驅動中，可以考慮采用整轉運行方案。此時，失調角誤差或回滯誤差是最大的誤差源。2.2失調角誤差 失調角誤差也叫負載角誤差，指步進電機在驅動負載的條件下，為了產生一定的負載力矩，步進電機需產生一個失調角θ。根據理論計算，對于一個步距角為1.5度的三相步進電機，由于負載力矩丁而引起的角度變化為：可見，為了得到較高的精度，則必須驅動較低的負載。2.3回滯誤差 如果加在步進電機上的負載力矩改變方向，則所產生的失調角與原來的相反。因此，即使負載保持絕對恒定（包括摩擦力），并假設電機無任何不積累誤差，那么由于電機可能的正、反方向運行，也會產生一個相當大的角度誤差。 為了消除回滯誤差而提高精度，反向驅動時，可多運行一定的步數，然后返回，使負載力矩保持一個方向。2.4重復誤差 在負載絕對恒定的條件下，步進電機朝原來運動方向的反方向運轉”步后再前進行步，它的起始位置與終止位置有差別。這個誤差的來源比較復雜。_般在幾角秒之內，典型值為±0. 0014。。因此，在大多數場合下是可以忽略不計的。3通電狀態對誤差的影響 單相通電狀態比雙相（多相）通電狀態的精度要高一些。這主要是由于多相通電時空載步距角將與兩相繞組中的電流比有關，改變每一相電流的大小都將影響到步距角精度。在無穩流電路的情況下，這個變化有可能是相當大的。 以三相步進電機為例。附圖中，設由A，B兩相通電所產生的力矩分別為TA、Tu，則有： 然而，對于單相通電，在負載為零的情況下，轉子的定位位置與電流的大小無關。4細分引起的誤差 步進電機的步距角一般在1度左右，有時需要比這個值小得多的步距角，可采用細分技術。采用細分技術只能提高步進電機的分辨率，并沒有提高其精度。 對于一般的驅動電路，細分后還會帶來一些誤差。這些誤差主要與驅動電源有關。4.1電壓失調誤差 對于細分控制的驅動電路，當把一相繞組中的電流關斷時，繞組中的電流理論上應為零值。然而，對于具有電流反饋環的驅動電路，由于放大電路的失調，繞組中實際通過的電流波形是有一定區別的。當控制輸入為零時，實際輸出可能并非為零，在這個電流的作用下，步進電機的轉子將會產生一個失調角。達種失調角在用普通驅動電路驅動時也是存在的，只是較小而已。因此，對于精密驅動，應該設置失調電壓調整裝置，以使失調電流盡可能小。4.2電流增益誤差 在驅動負載時，靜態失調角是負載力矩與最大轉矩的函數，也就是負載力矩與相電流的函數。因此，當各相電流增益不同時，所產生的靜態失調角也將隨著角度的變化而變化。因此，保持恒定的電流增益是提高驅動精度的一種手段。值得注意的是，由于電機電樞繞組參數可能相互之間有一定的差別，因此這里所提的增益恒定是一個綜合性指標。 電流增益誤差對微動步距角誤差的影響比較大。小的電流增益誤差可以改善微動步距角誤差。 失調角誤差、電流增益誤差等還會對電機的運行特性有一定的影響，帶來一定程度的共振。在實際使用時，也可以利用這一性質來調節失調電壓及電流。保證電機在整個運行區間都能最平穩的工作，也反映了上述誤差已減至最小。4.3微動角誤差 通過細分可以提高步距分辨率。理論上若把一步細分成n等分，則步距角可以減小到原來的以分之一。實際上，根據電機制造工藝、細分電路的不同，實際微步步距并非等分，可能有很大的差別。在具有反饋環的控制系統中，要充分考慮這種不均勻性，以免引起系統的振蕩。 細分電路主要用在步進電機的低速運行場合，以提高其運行特性，或者用在具有角度反饋環的閉環控制系統中，以提高精度。采用細分電路后，無疑使步進電機的低速運行特性或在共振頗率附近的運行特性得到提高，而在開環系統中使用這一技術的最大理由就是提高步進電機的穩定性，而并非是為了提高其精度。另外，這種電路也無疑限制了電機的高速運行。 在開環系統中，細分技術并沒有提高精度，由于步進電機的整步不積累誤差是不變的，因而無論怎樣細分，最后的精度是受這個誤差限制的。對于一個步距精度為5’的電機，即使采用細分，其定位精度最好時也只能是5。 采用細分后，對兩相雙極型混合式步進電機，其驅動電流波形為正余弦形；而對于反應式步進電機，理想的驅動電流波形為一諧波較少的階梯波。合適的細分波形不但可以提高角度分辨率，而且可以提高步進電機的運行特性。5結語 在現代的一些精密位置控制系統中，步進電機得到了廣泛的應用。為了保證整個系統可靠地工作，對步進電機產生的角度誤差來源應有一定的認識。單方面追求小的不積累誤差并不能從實質上提高系統的精度，只能提高成本，因為通過文中的分析可以看到，可能一個較小的負載力矩就會產生與之相當的角度誤差。在一些場合，技巧也是特別重要的。單相通電方式、整步運行方式、整轉運行方式等都能在一定程度上改善其精度。 細分能夠提供高于步距角大得多的分辨率，然而在開環控制中，很難得到寫之相應的精度。這時之所以要使用細分，完全是為了提高其低頻運行特性（由于速度上的原因，在高頻時很少采用）。為了得到具有分辨率水平的精度，必須采用匹配精度的位置傳感器，組成一閉環系統，這無疑增加了電路的復雜性，也降低了可靠性。 |
