步進電機通常用于定位，因為它們具有成本效益、易于驅動并且可用于開環系統——這意味著它們不需要像伺服電機那樣的位置反饋。步進電機用于小型工業機器，例如激光雕刻機、3D 打印機和激光打印機等辦公設備。
步進電機有多種選擇。對于工業應用，每轉 200 步的兩相混合式步進電機非常普遍。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 1.8°。這些步驟是轉子和定子上齒數的函數。
本文將重點介紹兩相混合式步進電機，因為它們是常見的。
微步如何工作
可以將步進電機移動不到整步。這個過程稱為微步進，是通過調制通過繞組的電流來實現的，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，因為步長僅受驅動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。
實際上，對于大多數機械系統而言，如此精細的微步進并不總能提高定位精度。許多其他因素會對性能產生負面影響。
微步中有幾個角度誤差。一個是電機本身的缺陷——機械和磁性——因為電機沒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，運動也不是完美的線性。
另一個誤差是步進電機控制器的電流調節精度。典型的步進 IC 到滿量程電流的 5% 左右。此外，兩個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。
步進電機扭矩
步進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，也是電機移動整步時可以產生的扭矩。在每一個完整的步驟之后，齒與的磁路對齊，從而產生強大的扭矩。
微步時，由于轉子被保持在整步位置之間并且磁路更長，因此保持轉矩會降低。這個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%。
這對運動控制系統意味著什么？這意味著要在執行微步時實際達到預期位置，電機上的扭矩負載必須是電機額定保持扭矩的一小部分。
實驗室測量
為了測試微步進時的位置精度，進行了幾個實驗。實驗室設置使用安裝在步進電機軸上的表面反射鏡和激光器。光束從鏡子反射到實驗室的另一端，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。
用于實驗的電機是典型的混合動力電機，通常用于 3D 打印機等產品。這是一個1.8°的雙極電機，額定電流為2.8A，保持扭矩為1.26Nm。
個實驗單獨測量了電機的精度。它使用的直流電流源來驅動兩相，并且沒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性，但總的來說，角度精度很好；它約為 ±0.03°，運動是單調的（圖 3）。也就是說，電機從未在錯誤的方向上移動或無法移動。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 步長對應于 0.056°。
圖 3 1/32 步空載精度確保單調運動。資料：單片電源系統
接下來，將電機耦合到磁粉制動器，該制動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，因為每隔一步都沒有運動。
圖 5增加扭矩的 1/32 步長顯示出明顯不同的結果。資料：單片電源系統
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，一個微步產生的預期扭矩約為 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的點（圖6）。
圖 6具有 0.9 Nm 扭矩的 1/32 步進需要更多的微步來移動電機。資料：單片電源系統
使用 MPS 的MP6500步進電機驅動器 IC進行了兩個類似的實驗。MP6500 驅動器 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 步進電機驅動器采用基于 PWM 的電流調節。資料：單片電源系統
為了測試使用傳統步進電機驅動器 IC 的精度是否與使用直流電流源時不同，個測試是在 0.1 Nm 扭矩和 1/8 步進模式下進行的。1/8 步產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，表明實際角度跟蹤了理想角度。
圖 8在次測試中，MP6500 步進電機驅動器 IC 使用 1/8 步長和 0.1 Nm 扭矩。資料：單片電源系統
對于第二個測試，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（圖 9）。
圖 9在第二個測試中，MP6500 使用 1/8 步長和 0.4 Nm 扭矩。資料：單片電源系統
機械方面的考慮
為了在微步進時獲得所需的精度，設計人員必須密切關注機械系統。
有幾種方法可以利用步進電機產生線性運動。種方法是使用皮帶和皮帶輪將電機連接到移動部件。在這種情況下，旋轉被轉換為線性運動。移動的距離是電機運動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。步進電機直接連接到螺桿的末端，因此當螺桿旋轉時，螺母以線性方式移動。
在這兩種情況下，作為單個微步的結果是否實際存在線性運動取決于摩擦力矩。這意味著為了獲得精度，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，反沖會在系統中產生一些間隙。然而，增加預緊力會降低背隙，但也會增加摩擦力。因此，在反彈和摩擦之間存在權衡。 |
