一種新的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距精度測(cè)試系統(tǒng)
王宗培 鄭大鵬 王 英(哈爾濱工業(yè)大學(xué))
1概述
步距角精度是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究、制造和應(yīng)用部門一直關(guān)注使用方便而又有足夠精度的步距精度測(cè)試儀器。原則上，任何一種精密測(cè)角儀器都可用來測(cè)試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角及精度，但實(shí)際應(yīng)用很不方便，也不經(jīng)濟(jì)。我國正式的步距精度測(cè)試儀最早是北京精密機(jī)床研究所研制，70年代在北京微電機(jī)廠應(yīng)用。所用的傳感器是有10800道刻線的光柵盤，線間距為2’，4細(xì)分后其測(cè)角分辨率為o．5’(30")。由于光柵盤尺寸較大，該系統(tǒng)不適用于小型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由于分辨率不高，也難滿足高分辨率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精度測(cè)試的要求，例如新的九相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可以小到只有2[1]，更不要說采用微驅(qū)動(dòng)的情況了。80年代，西安微電機(jī)研制所制造和使用的步距精度測(cè)試儀基本上和上述系統(tǒng)相同。還采用過以多極旋變作為傳感器的步距精度測(cè)試系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)的分辨率可以較高，但既使是高精度的多極旋變，運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際精度也難以高出30"。
本文介紹的步距精度測(cè)試系統(tǒng)(其原理框圖見圖1)的特點(diǎn)在于，它不是采用角位移傳感器，而是采用角速度傳感器，角速度采樣積分后獲得角位移值。角位移傳感器的分辨率和精度是固定的，很可能對(duì)步距角較大的電動(dòng)機(jī)已足夠了，而對(duì)于步距角相當(dāng)小的電動(dòng)機(jī)就顯得不夠。采用角速度傳感器時(shí)，它的分辨率和訊號(hào)處理環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)有關(guān)，可以調(diào)節(jié)。因此既使步距角很小，也同樣可以勝任。
2測(cè)試系統(tǒng)的原理
新的測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。這是一個(gè)角速度瞬時(shí)值的采樣系統(tǒng)，角速度訊號(hào)由一臺(tái)與被測(cè)電機(jī)同軸聯(lián)接的精密直流測(cè)速發(fā)電機(jī)獲得，所用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖2所示。該系統(tǒng)利用現(xiàn)成的pc機(jī)，加上對(duì)訊號(hào)的濾波、放大、a／d轉(zhuǎn)換及軟件等。
由pc機(jī)發(fā)出一個(gè)控制訊號(hào)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)便走一步，同軸聯(lián)接的測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓輸出訊號(hào)v1，正比于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)過程中的瞬時(shí)角速度ω。ν1經(jīng)放大濾波變?yōu)棣?sup>2，再經(jīng)a／d轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給微機(jī)處理，由此可直接得到角速度的單步響應(yīng)特性(ω-t)，是一條衰減的振蕩曲線。將采集的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分后輸出，便得到角位移的單步響應(yīng)特性(θ-t)，它同時(shí)得到步距角的值。讓pc機(jī)發(fā)出一系列訊號(hào)cp脈沖，且讓這些脈沖的間隔時(shí)間大于被測(cè)電動(dòng)機(jī)的單步響應(yīng)停止時(shí)間，便可測(cè)出一系列步距角的值，從而得出步距誤差和位置誤差的值，即電動(dòng)機(jī)的精度。
通常，步距精度測(cè)試儀的精度主要取決于傳感器的精度和分辨率，例如光柵盤或多極旋變等角位移傳感器的精度和分辨率�，F(xiàn)在采用角速度訊號(hào)，似乎主要與測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度有關(guān)。但是，由于新的測(cè)試系統(tǒng)采取了自動(dòng)定標(biāo)的方法[3]，幾乎可把傳感器及測(cè)試線路等引起的誤差消除掉。這種自動(dòng)定標(biāo)的方法，利用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差不會(huì)長期積累的特點(diǎn)，即測(cè)很多步時(shí)其平均步距角將是很標(biāo)準(zhǔn)的，用它來定標(biāo)實(shí)際步距角的值，其精確度顯然是很高的。理論上，如果測(cè)試線路很完善，干擾很少，且穩(wěn)定性良好，測(cè)試誤差將主要只有a／d轉(zhuǎn)換的量化誤差。采用較一般的8位a／d轉(zhuǎn)換器，在滿量程應(yīng)用時(shí)量化誤差約o．4％，對(duì)于步距角測(cè)量，精度已經(jīng)足夠高。由于檢測(cè)的訊號(hào)是經(jīng)放大以后再進(jìn)行a／d轉(zhuǎn)換，步距角減小時(shí)，實(shí)際檢測(cè)訊號(hào)相應(yīng)減小，但調(diào)整放大倍數(shù)后仍可使送到a／d轉(zhuǎn)換處的訊號(hào)基本不變，測(cè)試系統(tǒng)的相對(duì)誤差也就基本不變。這等于說，隨著被測(cè)電機(jī)步距角的減小，測(cè)試系統(tǒng)的****值(角位移)精度隨之提高，所以被測(cè)電機(jī)的步距角既使相當(dāng)小，用新的系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，也同樣能夠勝任。
3試驗(yàn)舉例
被測(cè)電機(jī)是一臺(tái)130byg9100d型九相7昆合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(杭州哈杭電伺服技術(shù)公司生產(chǎn))。該電動(dòng)機(jī)保持轉(zhuǎn)矩tk≥30nm，相電流，i=10a，配套驅(qū)動(dòng)器smi)一90610型(杭州哈杭電伺服技術(shù)公司生產(chǎn))，功放級(jí)電壓由交流60v整流后供給，牽出轉(zhuǎn)矩tp．o≥20nm(n<5r／s時(shí))，步距角θb=2’～0．9。可變。測(cè)試時(shí)電動(dòng)機(jī)以步距角鞏===0．06。(3．6’)運(yùn)行。九相電動(dòng)機(jī)以6000步／r，即θb=o．06。的分配方式，按通常的思路是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們采取特殊的方法，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的步距角是按四步θb=4’加一步θb=2定，只不過平均步距角θb=3．6’。用本文介紹的系統(tǒng)實(shí)測(cè)的一組步距角數(shù)據(jù)如附表所示。
用本文的方法測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角時(shí)，不僅僅能測(cè)出步距角的值，而且
