專利名稱:步進電動機的“積分式”微步距控制線路的制作方法
一種用于步進電動機開環(huán)、閉環(huán)微步距控制的線路，適用于微步距驅動與定位，特別適用于多維情況下的平滑增量運動控制。
已知的步進電動機微步控制線路，例如，脈沖開關型細分驅動線路(參見《用階梯脈沖控制步進電動機》微特電機1977、2)，其細分度取決于所用脈沖開關的多少，故細分數不高。這種驅動線路的輸出電壓與傳統(tǒng)線路相同仍是一脈沖串，當使用兩臺或兩臺以上受控電機去完成多維運動時，各步進電動機只能交叉改變通電方式，無法實現多臺受控電機同時按指定速度和步距運動。盡管可以采用高次插補等技術，但多維運動軌跡實質上仍是不平滑的。
另一種脈沖移相式微步控制線路(參見《哈爾濱工業(yè)大學學報》1985年增刊、“電氣工程專輯”)，雖然最小步距當量可以達到角秒級，但線路比較復雜，開環(huán)運行時，輸出波形為梯形波，能引起原理性步距誤差。
本發(fā)明提出一種新型的“積分式”微步距控制線路，可實現超級細分，最小步距可小于1角秒，連續(xù)運動時，輸出波形的正弦性很好。特別是多維增量運動控制時，可控制多臺步進電動機按指定的要求運動或同時運動，實現多維平滑增量運動控制。
本發(fā)明包括驅動電路;方向控制與門和一個由運算放大器、電阻、電容構成的積分器，其特征在于所述積分器的積分電容兩端并聯(lián)了一個受控制于積分控制脈沖的電子開關，構成開關積分電路，其輸出端與驅動電路相連接，為實現步進電動機正、反兩個旋轉方向的控制，開關積分電路的輸入端與兩個受控電子開關相連接。開環(huán)連續(xù)運行時，受控電子開關的輸入電壓可為正弦電壓，其頻率決定受控步進電動機的運行速度。受控電子開關的控制脈沖和積分控制脈沖均與時鐘脈沖同步，其頻率決定了細分度。閉環(huán)運行時，受控電子開關的輸入電壓幅值與系統(tǒng)測量元件的誤差電壓成正比。為了使誤差電壓大，受控步進電動機運行快，誤差電壓小，受控步進電動機運行慢，具有優(yōu)良的動態(tài)特性。時鐘電路頻率與受控電子開關的輸入電壓幅值成正比。多維運動控制中，為了使多臺受控步進電動機同時按要求的速率與步距運動，所用的多個控制線路中的各時鐘電路的頻率;受控電子開關的輸入電壓幅值相互之間是具有一定函數關系的。
附圖即為本發(fā)明的控制線路圖。圖中包括開關積分電路〔1〕;積分電子開關〔2〕;運算放大器〔3〕;受控電子開關〔4〕和〔5〕;方向控制與門〔6〕和〔7〕;時鐘電路〔8〕;加法器前置電路〔9〕;功放電路〔10〕;控制系統(tǒng)的輸入信號〔11〕和〔12〕;方向控制信號〔13〕和〔14〕;驅動電路〔15〕。
本發(fā)明應用例如下A·開環(huán)連續(xù)運行實例由一程序控制器產生開關控制信號K+、K-、Kp，使得附圖所示線路中的受控電子開關〔4〕和〔5〕及積分控制開關〔2〕按照一定的時序開斷，從而使開關積分電路〔1〕的輸出信號按
變化。輸出電壓VB的正弦性取決于Vin的正弦性。時鐘電路〔8〕的頻率f決定著細分數的大小。控制系統(tǒng)的輸入信號｜Vin｜的角頻率決定被控步進電動機的運動速率。
B·閉環(huán)運行實例由位置測量元件測量出代表位置偏差的誤差電壓，其幅值部分經線性放大后作為控制系統(tǒng)的輸入信號｜Vin｜〔11〕和〔12〕，其方向部分用作方向控制信號〔13〕和〔14〕。同時保證時鐘〔8〕頻率f的大小與｜Vin｜成正比關系，即f＝K1｜Vin｜;其中K1為常數。則由開環(huán)連續(xù)運行實例中VB(Vin(t)，t，K+，K-，Kp)表達式知VB的最大值為 1/(RC) ｜Vin｜∫1/f0dt＝ (｜Vin｜)/(RCf) ＝ 1/(RCK1) 與幅值｜Vin｜無關。所以偏差越大，｜Vin｜越大，積分斜率 (｜Vin｜)/(RC) 越大，電機轉速加快;而加到步進電動機上的電壓幅值不變;反之亦然，從而該閉環(huán)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)特性。
C·兩維平面增量運動控制在兩維平面增量運動控制中，使用兩臺相同受控步進電動機，X軸電機的輸入電壓為Vin(t)x，Y軸電機的輸入電壓為Vin(t)y，當要求運動軌跡為Y＝KX的直線時，只要滿足 (Vin(t)y)/(Vin(t)x) =K，則兩臺受控電機就能同時按要求的速率運行，其合成軌跡為所求，實現了平滑增量運動控制。
綜上所述，本發(fā)明是一種用于步進電動機開環(huán)、閉環(huán)微步距控制的線路，具有超細分能力。開環(huán)控制時輸出波形正弦性很好，可使由于驅動電壓的非正弦性引起的原理性步距誤差減至最小;閉環(huán)控制時具有位置誤差大，運動速率高;位置誤差小，運動速率低的優(yōu)良動態(tài)特性。長期以來，步進電動機實現多維平滑增量運動控制是一個急待解決的技術難題。本發(fā)明較好地實現了這一控制。此外，電路結構簡單、易于生產也是本發(fā)明的一個重要特點。本發(fā)明可廣泛應用于要求微步距驅動與定位的場合，特別適用于如數控車床、銑床、沖床、電火花、線切割機床、自動繪圖等要求多維控制的場合。
權利要求
一種用于步進電動機開環(huán)、閉環(huán)微步距控制的線路，包括驅動電路；時鐘電路；方向控制與門和一個由運算放大器、電阻、電容構成的積分器，本發(fā)明的特征在于所述積分器的積分電容兩端并聯(lián)了一個受控于積分控制脈沖的電子開關，構成開關積分電路，其輸出端與驅動電路相連接，輸入端與兩個受控電子開關相連接。
專利摘要
一種步進電動機的“積分式”微步距控制線路，使用開關積分電路來實現可控制的細分，具有超細分能力。開環(huán)控制時，輸出波形正弦性很好。閉環(huán)控制時，隨誤差電壓的大小自動調節(jié)運動速率，具有優(yōu)良的動態(tài)特性。特別是實現了多臺受控電機同時按指定速率和步距運動，克服了以往多臺步進電機只能交叉改變通電方式的缺點，從而使平滑的多維增量運動控制成為現實。此外具有線路結構簡單的特點。本發(fā)明可廣泛應用于一維或多維情況下要求微步距驅動和定位的場合。
文檔編號H02P8/00GK86101222SQ86101222
公開日1986年9月10日 申請日期1986年2月25日
發(fā)明者陸紀培, 陳國祥 申請人:哈爾濱工業(yè)大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan