步進電機細分驅動在機床數控改造中的應用

陳艷紅，鄧 娜

CHEN Yan-hong, DENG Na

（開封大學 機電工程學院，開封 475004）

步進電機細分驅動在機床數控改造中的應用

Subdivision drive technology of stepper motor in numerical control transformation

陳艷紅，鄧 娜

CHEN Yan-hong, DENG Na

（開封大學 機電工程學院，開封 475004）

采用信息技術對傳統機床進行數控化改造，是現代化生產和教學中的一個重點技改課題。在機床伺服系統改造時，運用步進電機細分驅動技術，可以減小電機的步距角，從而減小機床脈沖當量，提高伺服控制精度以及零件的加工精度。

數控改造；細分驅動；步距角；精度

0 引言

步進電機作為一種電脈沖——角位移的轉換元件，具有結構簡單，價格低廉，易于控制，無累積誤差和計算機接口方便等優點，被廣泛應用于機械、儀表、工業控制等領域。步進電機的工作性能與采用的驅動電路技術是密切相關的，開環控制的步進電機，其驅動電路除一般串電阻單電壓驅動之外，還先后出現了高低壓驅動、單高壓斬波式恒流驅動和調頻調壓驅動等，從而大大提高了步進電機高速區輸出。但是，在精密加工機器中，對步進電機要求很高，特別是要求電機體積小，轉速低，采用一般的驅動技術很難達到工藝要求，且不能克服電機的低頻工作時噪聲大、易振動的缺點，同時脈沖頻率可能會與步進電機的諧振頻率一致，導致共振使系統不穩定。

開環步進數控系統一般采用脈沖增量插補算法，在控制過程中不斷向各坐標軸發出相互協調的進給脈沖，每個脈沖通過步進電機驅動裝置使步進電機轉過一個步距角，相應地使機床工作臺移動一個脈沖當量。

開環步進數控系統進給脈沖當量的量值靠步進電機步距角、減速齒輪比、絲杠導程三者協調確定。三者之間換算關系可以用下式表示：

式中：δp—脈沖當量；L0—滾珠絲桿螺距；i—傳動比；θb—步距角。

由上式可知：當傳動比一定時，隨著步距角的減小，脈沖當量也減小，從而可提高機床的加工精度和改善零件表面粗糙度。在實際改造中可以在步進電機控制電路中采取細分驅動技術減小步距角，從而減小脈沖當量，提高伺服精度。

1 步進電機細分驅動在機床數控改造中的應用

以普通車床的數控改造為例，一般脈沖數量均?。簷M向0.005mm，縱向0.01mm（機床數控改造后，脈沖數量一般是一個不可改變的確定值）。對于一般常規加工來說，此脈沖當量是能夠滿足其加工的；對于控制精度要求較高的特殊加工，則需要較小脈沖當量。如將脈沖當量減小為橫向0.0025mm，縱向0.005mm，則被加工零件的幾何精度可以顯著提高。

步進電機驅動線路，如果按照環形分配器決定的分配方式，控制電動機各相繞組的導通或截至，從而使電動機產生步進所需的旋轉磁勢拖動轉子步進旋轉，則步距角只有兩種。如果要求步進電機有更小的步距角，更高的分辨率，可以在每次輸入脈沖切換時，只是改變相應繞組中額定的一部分，則電機的合成磁勢也只有旋轉步距角的一部分，這里繞組電流是階梯波，額定電流是臺階式的投入或撤離，電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的次數轉過一個步距角，這種將一個步距角細分成為若干個的驅動方式便是細分驅動技術。

圖1 細分的階梯電流波形圖

如某三相六拍運行的步進電機，通電狀態為A→AB→B→BC→C→CA…，由A 通電狀態切換到AB通電狀態時，A 相繞組的電流不是“1”立即降到“0”（此處的“1”應理解為電流的額定值I ），而是0.9I—0.8I…0.1I—0逐步衰減下來，同理，某相繞組接通時，電流也按0.1I—0.2I —0.9I…I 的規律逐步上升。如圖1所示為細分的階梯電流波形圖。

目前在國內外，對于步進系統，主要采用二相混合式步進電機及相應的細分驅動器，該技術技術具有以下優點：

1）提高了電機的分辨率

步距角表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型二相混合式步進電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關，如表1所示（以86BYG250A型電機為例）：

表1 細分驅動狀態與電機的步距角

從上表可以看出：步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了，如驅動器工作在10細分狀態時，其步距角只為“電機固有步距角”的十分之一，就是說：‘當驅動器工作在不細分的整步狀態時，控制系統每發一個步進脈沖，電機轉動1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態時，電機只轉動了0.18°，因此，采用細分驅動技術，減小了電機的步距角、提高了步距的均勻度，對于“提高電機的分辨率”是不言而喻的。

2）改善電機的運行性能

采用細分驅動技術不僅提高電機精度，更主要是改善電機的運行性能。步進電機的細分控制是由驅動器精確控制步進電機的相電流來實現的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A，如果使用常規驅動器（如常用的恒流斬波方式）驅動該電機，電機每運行一步，其繞組內的電流將從0突變為3A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在10細分的狀態下驅動該電機，電機每運行一微步，其繞組內的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規律變化，這樣就大大的改善了電機的振動和噪音，因此，在性能上的優點才是細分的真正優點。

驅動器細分后完全消除了電機的低頻振蕩：低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區工作（如走圓弧），選擇細分驅動器是唯一的選擇。并且提高了電機的輸出轉矩：尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約30～40% 。

在對CA6140普通車床進行數控改造時，經切削力計算、滾珠絲杠設計計算、齒輪及轉矩的有關計算，選擇縱向進給系統的驅動電機為兩相混合式步進電機110BYG250B-SAKRMT-0602，步距角0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），在步進電機的驅動電路設計中選擇ST-4HBXA型兩相混合式步進電機細分驅動器，該驅動器采用新型的雙極性恒流驅動技術，廣泛應用于各種數控機床等低噪音，低振動，高精度，高速度的場合。

圖2 細分驅動器接線圖

圖2所示為步進電機與驅動器接線圖，當驅動器工作在不細分的整步狀態時，控制系統每發一個步進脈沖，電機轉動1.8°；驅動器工作在4細分狀態時，其步距角只為“電機固有步距角”的四分之一，就是說步進電機只轉動了0.45°；此時機床縱向進給系統的脈沖當量為0.0025mm，可以獲得更高的加工精度。

ST-4HBX驅動器的細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與步進電機無關。ST-4HBX驅動器設計了錯相保護功能，用戶在接錯線的情況下，驅動器不會損壞，但步進電機運行不正常，此時應檢查電機接線是否正常，及時更正。

2 結束語

運用信息技術對傳統機械加工設備進行技術改造時，步進電機的細分驅動技術，可以改善電機的性能，減小步進電機的步距角及機床的脈沖當量，提高經濟型數控機床的加工精度。

[1] 張曼麗,張弛.一種新型步進電機驅動電源的研制[J].機床電器,2007,1:15-17.

[2] 劉寶廷等.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1997.

[3] 李志強,周杰,任勝杰.基于單片機的步進電機細分驅動控制系統[J].機電工程,2007,(7):67-69.

[4] 李忠杰,寧守信.步進電機應用技術,北京:機械工業出版社,2000.

TG659

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1009-0134(2010)12(上)-0026-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).26

2010-08-19

陳艷紅（1968 -），女，河南開封人，副教授，工程碩士，主要從事數控加工技術、電氣控制與PLC應用技術等方面教學研究工作。