概述

步進電機常被用于定位，它們性價比高、易于驅(qū)動，可用于開環(huán)系統(tǒng)，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(yè)機器，例如激光雕刻機、3D 打印機和激光打印機等辦公設(shè)備。

同時，步進電機的品種也非常繁多。對于工業(yè)應(yīng)用來說，每轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)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(shù)為轉(zhuǎn)子和定子上齒數(shù)的函數(shù)。

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。

微步進

步進電機的步進值可以設(shè)置為小于整步，稱為微步進。它通過調(diào)節(jié)繞組電流來實現(xiàn)，使轉(zhuǎn)子可以定位于整步之間。設(shè)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(qū)動繞組電流的數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)的機械系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)。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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guān)這些誤差的更多信息，請參閱應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)。

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(tǒng)而言，它代表在執(zhí)行微步進時實際要達到的預(yù)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(yīng)±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(chǎn)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(qū)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）。

采用這種裝置測量的結(jié)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(diào)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(xiàn)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(yīng)精度為0.056°。

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）。

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