【導讀】步進電機常被用于定位，它們性價比高、易于驅動，可用于開環系統，且無需像伺服電機那樣提供位置反饋，因此非常適用于小型工業機器，例如激光雕刻機、3D 打印機和激光打印機等辦公設備。
同時，步進電機的品種也非常繁多。對于工業應用來說，每轉 200 步的兩相混合式步進電機最為常見。這里的 “混合” 是指它利用永磁體和帶齒鐵轉子的工作方式（例如可變磁阻電機），而 “200 步” 則指電機每步移動 1.8°，該步數為轉子和定子上齒數的函數。
本文將聚焦這種最為常見的兩相混合式步進電機進行闡述。圖 1 即為典型的兩相混合式電機。
圖 1：典型的兩相混合式步進電機
微步進
步進電機的步進值可以設置為小于整步，稱為微步進。它通過調節繞組電流來實現，使轉子可以定位于整步之間。設計人員幾乎可以定義任何大小的微步進，因為其步進值僅受制于驅動繞組電流的數模轉換器 (DAC) 和放大器的分辨率，所以1/256 分辨率，甚至 1/1024 分辨率都很常見。
然而，實際上對大多數的機械系統來說，這種精細的微步進并不總能提高定位精度，還有很多其他因素都會對性能產生負面影響。
固有誤差
微步進中的角度誤差有幾個來源。一是電機本身的缺陷，如機械和磁性方面的缺陷。沒有電機會擁有完美的正弦電流-位置傳遞函數。即使能夠向電機施加完美的正弦和余弦電流，電機的運動也不可能是絕對的線性。
另一個誤差源是步進電機控制器的電流調節精度。典型的步進電機IC 只能精確到滿量程電流的 5%左右。另外，兩個通道之間的電流調節匹配度也可能并不完美。這些不精確的因素都會降低定位的精度。
有關這些誤差的更多信息，請參閱應用說明 《Understanding MP6500 Current Control》.
步進電機扭矩
步進電機均具有額定的保持扭矩。保持扭矩是將電機從整步位置拉開所需的扭矩，也是電機移動一整步時能夠產生的扭矩。在每一個整步之后，齒都會與最小磁路對齊，從而產生強大的扭矩。
增量保持扭矩=(整步保持扭矩)×sin(90°/X)
上式中的X代表微步進的步數。
舉例來說，對 1/8 步而言，增量扭矩約為整步扭矩的 20%；對1/32 步而言，增量扭矩僅為整步扭矩的 5%。
對運動控制系統而言，它代表在執行微步進時實際要達到的預期位置，電機上的扭矩負載必須遠小于電機額定保持扭矩。
實驗室測量
我們通過幾個實驗來測試微步進的定位精度。實驗室裝置使用了安裝在步進電機軸上的第一表面鏡和一個激光器。首先，光束通過鏡面反射到實驗室的另一端，距離約為9米；然后我們測量激光束的仰角，并計算角度。精度測量主要受限于光束高度的測量精度；±1mm的高度對應±0.006°的精度。
用于實驗的電機為典型的混合式電機，常用于 3D 打印機等產品。該電機為1.8°雙極性電機，額定電流2.8A，保持扭矩為1.26Nm。
第一個實驗單獨測量了電機的精度。我們用精確的直流電流源來驅動兩相，電機軸上無扭矩負載，只有一面鏡子安裝在軸上（參見圖 2）。
圖2:步進電機軸上安裝的鏡子
采用這種裝置測量的結果顯示出了很小的非線性度；但總體而言，角度精度良好，約為 ±0.03°。而且，電機運動具有單調性（參見圖 3）；也就是說，電機永遠不會朝錯誤的方向移動或無法移動。如果出現這類錯誤，那只能說明電機本身具有固有誤差，或者測量錯誤。在這里，1/32 步對應精度為0.056°。
圖3: 1/32步進電機空載精度
接下來，將電機與磁粉制動器連接在一起，該制動器用于向電機施加摩擦扭矩負載（參見圖4）。
圖4: 制動器裝置
同樣采用直流電流源重復上述測量，將大約 0.1Nm 的扭矩施加到電機軸上。圖 5顯示出，電機每隔一步都會暫停，這與之前的測量結果大為不同。
圖5: 增加扭矩后的1/32 步進電機精度
這種行為與電機的計算增量扭矩一致。1/32 微步進的增量扭矩約為保持扭矩的 5%。在保持扭矩為 1.26Nm 的情況下，一個微步進步數產生的預期扭矩約為 0.06Nm。當然，這不足以克服摩擦負載，因此，需要兩個微步進步數才能使扭矩足夠高，以克服負載。
如果將扭矩增加到 0.9Nm（大約是失速扭矩的 70%），則需要更多的微步進步數才能將扭矩提高到使電機運動的點（參見圖 6）。
圖6: 扭矩為0.9Nm 的1/32 步進電機
我們采用 MPS 的 MP6500, 步進電機驅動器 IC 進行兩個類似的實驗。MP6500 采用精確的 PWM 電流調節，能以整步、半步、1/4 步或1/8 步運行。圖 7 顯示了 MP6500 的功能框圖。
圖7: MP6500步進電機驅動器
為了測試使用傳統步進電機驅動器 IC與使用直流電流源的精度是否不同，首先在 0.1Nm 扭矩和 1/8 步進模式下進行測試。1/8 步產生的扭矩約為整步的 20%，即 0.25Nm，大于施加的 0.1Nm 扭矩。圖 8 顯示的測量結果表明實際角度與理想角度相符。
圖8: 采用1/8步且扭矩為0.1Nm 的MP6500
第二次測試施加 0.4Nm 的扭矩。這超過了 1/8 步的增量保持扭矩（0.25Nm）。正如預期的那樣，微步進被跳過（參見圖 9）。
圖9: 采用1/8步且扭矩為0.4Nm 的MP6500
機械系統注意事項
為了實現微步進所需的精度，設計人員還必須考慮機械系統。
利用步進電機來產生線性運動的方法有多種。第一種方法是通過皮帶和皮帶輪將電機連接至運動部件。在這種情況下，旋轉被轉換為線性運動。線性運動的距離為電機運動角度和皮帶輪直徑的函數。
第二種方法是使用螺桿或滾珠螺桿。步進電機直接連接至螺桿末端，當螺桿旋轉時，螺帽以線性方式行進。
在這兩種情況下，單步微步進是否可以實現實際的線性運動取決于摩擦扭矩。這意味著，為了獲得最佳精度，必須將摩擦扭矩降至最低。
例如，許多螺桿和滾珠螺桿螺帽都具有一定的預緊力可調性。預緊力是一種用于防止反沖的力，反沖會在系統中引起一些間隙。然而，增加預緊力會減少反沖，但也會增加摩擦力。因此，需要在反沖與摩擦力之間進行權衡。
結論
在使用步進電機設計運動控制系統時，不能假設電機的額定保持扭矩在微步進模式下仍然適用，因為在這種模式下增量扭矩會大大降低，這可能導致意外的定位錯誤。上述測試已經證明了這一點。在某些情況下，增加微步進分辨率并不能提高系統精度。
為了克服這些限制，建議盡量減少電機上的扭矩負載，或使用具有更高額定保持扭矩的電機。通常情況下，最好的解決方案是為機械系統設計更大的步進增量，而不是依賴精細的微步進。像 MP6500 這樣的步進電機驅動器以 1/8 步進模式提供的機械性能，是能夠與昂貴的傳統微步進驅動器相媲美的。
來源：MPS
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