引 言轉(zhuǎn)載
本論文題目來(lái)自對(duì)現(xiàn)有橢偏儀進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)工作中的“用步進(jìn)電機(jī)取代傳統(tǒng)直流減速電機(jī)”的研究課題。橢圓偏振測(cè)量技術(shù)是一種測(cè)量薄膜厚度和研究其表面特性的先進(jìn)方法，具有靈敏度高、精度高、實(shí)時(shí)和無(wú)損樣品的優(yōu)點(diǎn)。在半導(dǎo)體、光學(xué)材料、表面物理、化工、冶金、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。伺服電機(jī)維修中了解的知識(shí)，與步進(jìn)電機(jī)維修實(shí)例
傳統(tǒng)的橢偏儀由于使用了直流電機(jī)，在定位過(guò)程中存在自動(dòng)化水平低、操作復(fù)雜、精度難以保證和成本高（因需要配高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器伺服電機(jī)中同樣）等不足，為提高橢偏儀的定位精度和自動(dòng)化水平，研制出一種高精度自動(dòng)定位系統(tǒng)無(wú)疑具有十分重要的意義。
本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)代替直流電機(jī)，但現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)的最小步距角還未能達(dá)到本系統(tǒng)的要求，所以要在步進(jìn)細(xì)分技術(shù)上作探討。利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確動(dòng)作和步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)，解決橢偏儀的角度與光強(qiáng)必須準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系的問(wèn)題。其中，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分角度越小，越有利于提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位、點(diǎn)位及連續(xù)控制方面的定位精度，越有利于與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。同時(shí)，還可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，大大改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的特性。
由于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求也越來(lái)越高。
因此，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的同行都在努力尋求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分技術(shù)的最佳方案及最高細(xì)分精度。本文所介紹的自動(dòng)定位系統(tǒng)是在原橢偏儀系統(tǒng)的前提下，采用步進(jìn)電機(jī)計(jì)算機(jī)細(xì)分控制技術(shù)建立起來(lái)的。
一． 步進(jìn)電機(jī)的基本原理
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域
都有應(yīng)用。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)：
電機(jī)固有步距角：
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。
步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：
是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。
DETENT TORQUE：
是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有DETENT TORQUE。
步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：
1． 1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
2． 2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。
步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3． 3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?BR> 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
二． 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào),加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。
典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成：
1. 步進(jìn)控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
2．驅(qū)動(dòng)器，把單片機(jī)輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
3．步進(jìn)電機(jī)。

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