步進系統的運行精度問題

       如果我們談到運動系統的精度，就會發現許多因素都對其有影響。考慮系統的精度時，工程師必須知道如何讓步進電機、驅動器或控制器協調配合來獲得理想的運行精度。
       一個常見的誤區就是把系統的精度誤差全部歸結為電機的問題。從步進電機的角度來說，需要滿足一些公差標準，包括機械公差和電氣公差。相繞組電感的不均衡是重要因素，其他一些原因包括極靴、轉子的不對準，定轉子間氣隙的不均勻，定轉子齒槽關系，以及轉矩脈動等。達到并持續控制這些參數并不是非常困難的事。
       我們知道，電機定子繞組的電感量正比于繞組匝數的平方，只要采用恰當的繞制工藝就能保證相電感間的一致性。很多步進電機制造商已經使用自動繞線設備來保證這種一致性。當然，轉子磁性材料也應具備良好的一致性從而保證電機各相電感的一致。其他一些規格指標則與機械有關。只要制造商使用可靠的、高品質的部件及優良的工藝控制來保證定轉子均勻的磨削量，就能獲得滿意的精度。正如Lin Engineering 公司的Belal Azim所說，由于保證了兩相雙極性步進電機相電感間的誤差在±5%以內，因此0.9度的步進電機在使用64微步驅動模式下，定位誤差可以達到±1.5弧分，包括精確性和準確性。滿足了以上條件，步進電機就可以完全達到指標要求。
       剩下的任務就是讓驅動器/控制器告訴步進電機應該運動到哪兒和如何運動，而且不能由于驅動器自身精度不高而降低了電機的精度。一個細分驅動器通過給電機繞組提供特定的激磁電流，告訴電機需要運行多少個微步。步進電機運行在整步模式時，精度最高，因為剛好與電機的機械設計特點相吻合。此時定轉子齒正好完全對齊，且繞組中流過的電流最大。隨著細分數的增加，步矩角相應減小，此時越來越難以保證定位的準確了。
       典型的細分模式包括2、4、8、16、32、64、128及256微步；提高細分數也就相應提高了單步精度（將整步按細分數等分來提高精度）。例如，一臺0.9度的步進電機如果用64細分的驅動模式，步矩角可以達到0.014度。當然，驅動器也必須按照細分規律提供給電機精確的電流值。
       圖例為4細分驅動模式下電機各相空間矢量圖以及相電流隨時間變化的示意圖，可以直觀地表示出驅動器每微步必須給出的電機相電流的大小和方向。從驅動器的角度來說，輸出電流的主要部件是集成驅動芯片。驅動器的性能由芯片的設計決定。其他如選用的MOSFET、電阻電容、電路布線、相應的固件（軟件）以及不合理的散熱方式等也會影響其性能。因此即使驅動控制芯片能給出平滑且精確的正弦電流波形，仍然不能保證獲得最優的精度。
在相繞組空間示意圖中的位置12處，A相和B相的座標百分值是（100，0）。驅動器輸出100％的電流給A相，而B相電流為0％。當電機運動到位置13時，座標變成（92，38），此時驅動器輸出滿電流的92％給A相而B相得到38％。按照這樣的方式對每一步分析就會知道A相和B相電流是兩個互差90度的正弦波。

       每臺步進電機都有自己特定的性能指標，很多指標都是根據實際應用要求設計的。為低速使用設計的電機往往電感量比較大，反之為高速設計電機的電感量比較小。為了滿足不同的運動規律，步進電機設計工程師需要調整線圈中繞組的設計，以滿足和速度、轉矩、電流、電阻以及電感相關的數學公式。因此，同一臺驅動器匹配不同電機時呈現出不同的運行性能，同樣，一臺電機匹配不同的驅動器時轉矩特性也不同。
       獲得最平穩運行性能及精確定位的最終解決方案就是正獲得最平穩運行性能及精確定位的最終解決方案就是正確的匹配電機及驅動器。當前最流行的做法就是把驅動器的輸出電流設計成用戶可調，有些驅動器可以通過可調電位器（adjustable trim pot）改變輸出電流波形，有些可調節增益，還有一些可以通過圖形用戶界面下載特定的正弦表來適配電機特性。可調電位器允許用戶手動調整驅動器輸出電流來匹配電機特性而無需了解電機和驅動器的內部技術。然而，對希望獲得最佳匹配性能的用戶來說這些方法仍有缺陷。



       高精度首先來源于步進電機的設計，Lin Enigneering公司的高精度5709型步進電機整步步距角為0.9度，機座號為NEMA23（2.3英寸）匹配RMS公司專為特別平穩的運動控制設計的高精度驅動器R325，構成完美步進電機系統，避免電流波形畸變。

　　運動控制系統里匹配步進電機和驅動器的5個簡單步驟：
　　1. 選擇合適的電機（基于對速度和轉矩的要求）。
　　2. 確認電機技術指標中各相電感之間誤差在±5%以內。
　　3. 選擇合適的驅動器。如果可能的話，獲得驅動器輸出的電流波形圖。
　　4. 確認驅動器上有提高運行平穩性的功能或者選項，如調節續流阻尼深度（慢速或者快速電流衰減）或可調整電流波形的電位器。
　　5. 根據驅動器特性匹配電機電感量。通常說來，高電感量電機低速性能較好，但是需要驅動器具備高電流阻尼（快速續流），能讓電流在續流期間快速下降。阻尼有助于電感的快速放電。低電感量電機高速性能好，如果驅動器能提供較低的電流阻尼（慢速續流），那么這些電機將呈現出良好的工作特性，因為他們在電感能量泄放過程中無需特別的阻尼幫助。對于一些電感量中等的電機來說，可以選擇具備混合續流能力的驅動器。

   

       一種更直接的提高電機和驅動器整體精度的解決方案就是集成單元。Lin Enigneering公司的SilverPak D就是這么一款集成了電機+驅動，尺寸為NEMA 17（1.7英寸），1.8度雙極性步進電機，工作電壓范圍從+12 到 40V dc。驅動器通過內置的PWM驅動芯片控制，電機相電流能從0.1到 1.5A（峰值）精確控制。步距角可為0.5、 0.25、0.125、0.0625、 0.03125及 0.015625 度。