步進(jìn)電機通常用于定位，因為它們具有成本效益、易于驅動(dòng)并且可用于開(kāi)環(huán)系統——這意味著(zhù)它們不需要像伺服電機那樣的位置反饋。步進(jìn)電機用于小型工業(yè)機器，例如激光雕刻機、3D 打印機和激光打印機等辦公設備。
步進(jìn)電機有多種選擇。對于工業(yè)應用，每轉 200 步的兩相混合式步進(jìn)電機非常普遍。對于這些電機，“混合”是指它們如何使用永磁體和帶齒鐵轉子（例如，可變磁阻電機），“200 步”是指電機在每步之間移動(dòng) 1.8°。這些步驟是轉子和定子上齒數的函數。
本文將重點(diǎn)介紹兩相混合式步進(jìn)電機，因為它們是常見(jiàn)的。
微步如何工作
可以將步進(jìn)電機移動(dòng)不到整步。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為微步進(jìn)，是通過(guò)調制通過(guò)繞組的電流來(lái)實(shí)現的，這樣轉子就可以定位在整步之間。設計人員幾乎可以為微步指定任何大小，因為步長(cháng)僅受驅動(dòng)繞組電流的數模轉換器 (DAC) 和放大器的分辨率的限制。1/256 甚至 1/1024 的分辨率并不少見(jiàn)。
實(shí)際上，對于大多數機械系統而言，如此精細的微步進(jìn)并不總能提高定位精度。許多其他因素會(huì )對性能產(chǎn)生負面影響。
微步中有幾個(gè)角度誤差。一個(gè)是電機本身的缺陷——機械和磁性——因為電機沒(méi)有完美的正弦電流到位置傳遞函數。即使您向電機施加完美的正弦和余弦電流，運動(dòng)也不是完美的線(xiàn)性。
另一個(gè)誤差是步進(jìn)電機控制器的電流調節精度。典型的步進(jìn) IC 到滿(mǎn)量程電流的 5% 左右。此外，兩個(gè)通道之間的電流調節匹配可能并不完美。這些不準確的結果降低了定位精度。
步進(jìn)電機扭矩
步進(jìn)電機的額定保持扭矩。保持扭矩是將電機拉離整步位置所需的扭矩，也是電機移動(dòng)整步時(shí)可以產(chǎn)生的扭矩。在每一個(gè)完整的步驟之后，齒與的磁路對齊，從而產(chǎn)生強大的扭矩。
微步時(shí)，由于轉子被保持在整步位置之間并且磁路更長(cháng)，因此保持轉矩會(huì )降低。這個(gè)增量保持扭矩可以用公式（1）計算：
增量保持力矩 = (整步保持力矩) x sin (90°/X) (1)
其中 X 是微步數
例如，對于 1/8 步，增量扭矩約為整步扭矩的 20%。對于 1/32 步，增量扭矩僅為整步扭矩的 5%。
這對運動(dòng)控制系統意味著(zhù)什么？這意味著(zhù)要在執行微步時(shí)實(shí)際達到預期位置，電機上的扭矩負載必須是電機額定保持扭矩的一小部分。
實(shí)驗室測量
為了測試微步進(jìn)時(shí)的位置精度，進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗。實(shí)驗室設置使用安裝在步進(jìn)電機軸上的表面反射鏡和激光器。光束從鏡子反射到實(shí)驗室的另一端，距離大約 9 m。然后測量激光束的仰角，并計算角度。精度測量主要受光束高度測量精度的限制；在 ±1mm 處，這對應于 ±0.006° 的精度。
用于實(shí)驗的電機是典型的混合動(dòng)力電機，通常用于 3D 打印機等產(chǎn)品。這是一個(gè)1.8°的雙極電機，額定電流為2.8A，保持扭矩為1.26Nm。
個(gè)實(shí)驗單獨測量了電機的精度。它使用的直流電流源來(lái)驅動(dòng)兩相，并且沒(méi)有扭矩負載施加到電機軸上。相反，只有鏡子在軸上。
該設置的結果顯示出小的非線(xiàn)性，但總的來(lái)說(shuō)，角度精度很好；它約為 ±0.03°，運動(dòng)是單調的（圖 3）。也就是說(shuō)，電機從未在錯誤的方向上移動(dòng)或無(wú)法移動(dòng)。這些誤差表示電機本身的固有誤差，加上測量誤差。請注意，1/32 步長(cháng)對應于 0.056°。
圖 3 1/32 步空載精度確保單調運動(dòng)。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
接下來(lái)，將電機耦合到磁粉制動(dòng)器，該制動(dòng)器將摩擦扭矩負載施加到電機。
使用直流電流源重復相同的測量，將大約 0.1 Nm 的扭矩施加到電機軸上。圖 5顯示這些結果明顯不同，因為每隔一步都沒(méi)有運動(dòng)。
圖 5增加扭矩的 1/32 步長(cháng)顯示出明顯不同的結果。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
此行為符合為該電機計算的增量扭矩。1/32 微步的增量扭矩約為保持扭矩的 5%。在這種情況下，保持扭矩為 1.26 Nm，一個(gè)微步產(chǎn)生的預期扭矩約為 0.06 Nm。然而，這還不足以克服摩擦負載，因此在扭矩高到足以克服負載之前需要兩微步。
如果我們將扭矩增加到 0.9 Nm（大約是失速扭矩的 70%），則需要更多的微步才能將扭矩增加到電機移動(dòng)的點(diǎn)（圖6）。
圖 6具有 0.9 Nm 扭矩的 1/32 步進(jìn)需要更多的微步來(lái)移動(dòng)電機。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
使用 MPS 的MP6500步進(jìn)電機驅動(dòng)器 IC進(jìn)行了兩個(gè)類(lèi)似的實(shí)驗。MP6500 驅動(dòng)器 IC 使用的 PWM 電流調節，可以從整步到 1/8 步運行。圖 7顯示了 MP6500 的框圖。
圖 7 MP6500 步進(jìn)電機驅動(dòng)器采用基于 PWM 的電流調節。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
為了測試使用傳統步進(jìn)電機驅動(dòng)器 IC 的精度是否與使用直流電流源時(shí)不同，個(gè)測試是在 0.1 Nm 扭矩和 1/8 步進(jìn)模式下進(jìn)行的。1/8 步產(chǎn)生的扭矩大約是整步的 20%，即 0.25Nm，比施加的 0.1Nm 扭矩大。圖 8顯示了結果，表明實(shí)際角度跟蹤了理想角度。
圖 8在次測試中，MP6500 步進(jìn)電機驅動(dòng)器 IC 使用 1/8 步長(cháng)和 0.1 Nm 扭矩。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
對于第二個(gè)測試，施加了 0.4 Nm 的扭矩。這大于 1/8 步的增量保持扭矩 (0.25 Nm)。正如預期的那樣，微步被跳過(guò)（圖 9）。
圖 9在第二個(gè)測試中，MP6500 使用 1/8 步長(cháng)和 0.4 Nm 扭矩。資料：?jiǎn)纹娫聪到y
機械方面的考慮
為了在微步進(jìn)時(shí)獲得所需的精度，設計人員必須密切關(guān)注機械系統。
有幾種方法可以利用步進(jìn)電機產(chǎn)生線(xiàn)性運動(dòng)。種方法是使用皮帶和皮帶輪將電機連接到移動(dòng)部件。在這種情況下，旋轉被轉換為線(xiàn)性運動(dòng)。移動(dòng)的距離是電機運動(dòng)角度和皮帶輪直徑的函數。
第二種方法是使用絲杠或滾珠絲杠。步進(jìn)電機直接連接到螺桿的末端，因此當螺桿旋轉時(shí)，螺母以線(xiàn)性方式移動(dòng)。
在這兩種情況下，作為單個(gè)微步的結果是否實(shí)際存在線(xiàn)性運動(dòng)取決于摩擦力矩。這意味著(zhù)為了獲得精度，必須化摩擦力矩。
例如，許多導螺桿和滾珠絲杠螺母具有一定的預載可調性。預載是一種用于防止反沖的力，反沖會(huì )在系統中產(chǎn)生一些間隙。然而，增加預緊力會(huì )降低背隙，但也會(huì )增加摩擦力。因此，在反彈和摩擦之間存在權衡。 |
