精品文檔-下載后可編輯為什么步進(jìn)電機(jī)中的微步進(jìn)不如您想象的那么好-設(shè)計(jì)應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)通常用于定位，因?yàn)樗鼈兙哂谐杀拘б?、易于?qū)動(dòng)并且可用于開環(huán)系統(tǒng)——這意味著它們不需要像伺服電機(jī)那樣的位置反饋。步進(jìn)電機(jī)用于小型工業(yè)機(jī)器，例如激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)和激光打印機(jī)等辦公設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)有多種選擇。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，每轉(zhuǎn)200步的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)非常普遍。對(duì)于這些電機(jī)，“混合”是指它們?nèi)绾问褂糜来朋w和帶齒鐵轉(zhuǎn)子（例如，可變磁阻電機(jī)），“200步”是指電機(jī)在每步之間移動(dòng)1.8°。這些步驟是轉(zhuǎn)子和定子上齒數(shù)的函數(shù)。本文將重點(diǎn)介紹兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兪浅Ｒ姷?。微步如何工作可以將步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)不到整步。這個(gè)過程稱為微步進(jìn)，是通過調(diào)制通過繞組的電流來實(shí)現(xiàn)的，這樣轉(zhuǎn)子就可以定位在整步之間。設(shè)計(jì)人員幾乎可以為微步指定任何大小，因?yàn)椴介L(zhǎng)僅受驅(qū)動(dòng)繞組電流的數(shù)模轉(zhuǎn)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(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)而言，如此精細(xì)的微步進(jìn)并不總能提高定位精度。許多其他因素會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。微步中有幾個(gè)角度誤差。一個(gè)是電機(jī)本身的缺陷——機(jī)械和磁性——因?yàn)殡姍C(jī)沒有完美的正弦電流到位置傳遞函數(shù)。即使您向電機(jī)施加完美的正弦和余弦電流，運(yùn)動(dòng)也不是完美的線性。另一個(gè)誤差是步進(jìn)電機(jī)控制器的電流調(diào)節(jié)精度。典型的步進(jìn)IC到滿量程電流的5%左右。此外，兩個(gè)通道之間的電流調(diào)節(jié)匹配可能并不完美。這些不準(zhǔn)確的結(jié)果降低了定位精度。步進(jìn)電機(jī)扭矩步進(jìn)電機(jī)的額定保持扭矩。保持扭矩是將電機(jī)拉離整步位置所需的扭矩，也是電機(jī)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(duì)齊，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的扭矩。微步時(shí)，由于轉(zhuǎn)子被保持在整步位置之間并且磁路更長(zhǎng)，因此保持轉(zhuǎn)矩會(huì)降低。這個(gè)增量保持扭矩可以用公式（1）計(jì)算：增量保持力矩=(整步保持力矩)xsin(90°/X)(1)其中X是微步數(shù)例如，對(duì)于1/8步，增量扭矩約為整步扭矩的20%。對(duì)于1/32步，增量扭矩僅為整步扭矩的5%。這對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)意味著什么？這意味著要在執(zhí)行微步時(shí)實(shí)際達(dá)到預(yù)期位置，電機(jī)上的扭矩負(fù)載必須是電機(jī)額定保持扭矩的一小部分。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量為了測(cè)試微步進(jìn)時(shí)的位置精度，進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室設(shè)置使用安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上的表面反射鏡和激光器。光束從鏡子反射到實(shí)驗(yàn)室的另一端，距離大約9m。然后測(cè)量激光束的仰角，并計(jì)算角度。精度測(cè)量主要受光束高度測(cè)量精度的限制；在±1mm處，這對(duì)應(yīng)于±0.006°的精度。用于實(shí)驗(yàn)的電機(jī)是典型的混合動(dòng)力電機(jī)，通常用于3D打印機(jī)等產(chǎn)品。這是一個(gè)1.8°的雙極電機(jī)，額定電流為2.8A，保持扭矩為1.26Nm。個(gè)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)測(cè)量了電機(jī)的精度。它使用的直流電流源來驅(qū)動(dòng)兩相，并且沒有扭矩負(fù)載施加到電機(jī)軸上。相反，只有鏡子在軸上。該設(shè)置的結(jié)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(yùn)動(dòng)是單調(diào)的（圖3）。也就是說，電機(jī)從未在錯(cuò)誤的方向上移動(dòng)或無法移動(dòng)。這些誤差表示電機(jī)本身的固有誤差，加上測(cè)量誤差。請(qǐng)注意，1/32步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于0.056°。

圖31/32步空載精度確保單調(diào)運(yùn)動(dòng)。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)接下來，將電機(jī)耦合到磁粉制動(dòng)器，該制動(dòng)器將摩擦扭矩負(fù)載施加到電機(jī)。

使用直流電流源重復(fù)相同的測(cè)量，將大約0.1Nm的扭矩施加到電機(jī)軸上。圖5顯示這些結(jié)果明顯不同，因?yàn)槊扛粢徊蕉紱]有運(yùn)動(dòng)。

圖5增加扭矩的1/32步長(zhǎng)顯示出明顯不同的結(jié)果。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)此行為符合為該電機(jī)計(jì)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1.26Nm，一個(gè)微步產(chǎn)生的預(yù)期扭矩約為0.06Nm。然而，這還不足以克服摩擦負(fù)載，因此在扭矩高到足以克服負(fù)載之前需要兩微步。如果我們將扭矩增加到0.9Nm（大約是失速扭矩的70%），則需要更多的微步才能將扭矩增加到電機(jī)移動(dòng)的點(diǎn)（圖6）。

圖6具有0.9Nm扭矩的1/32步進(jìn)需要更多的微步來移動(dòng)電機(jī)。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)使用MPS的MP6500步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC進(jìn)行了兩個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)。MP6500驅(qū)動(dòng)器IC使用的PWM電流調(diào)節(jié)，可以從整步到1/8步運(yùn)行。圖7顯示了MP6500的框圖。

圖7MP6500步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用基于PWM的電流調(diào)節(jié)。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)為了測(cè)試使用傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的精度是否與使用直流電流源時(shí)不同，個(gè)測(cè)試是在0.1Nm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(jié)果，表明實(shí)際角度跟蹤了理想角度。

圖8在次測(cè)試中，MP6500步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC使用1/8步長(zhǎng)和0.1Nm扭矩。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)對(duì)于第二個(gè)測(cè)試，施加了0.4Nm的扭矩。這大于1/8步的增量保持扭矩(0.25Nm)。正如預(yù)期的那樣，微步被跳過（圖9）。

圖9在第二個(gè)測(cè)試中，MP6500使用1/8步長(zhǎng)和0.4Nm扭矩。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)機(jī)械方面的考慮為了在微步進(jìn)時(shí)獲得所需的精度，設(shè)計(jì)人員必須密切關(guān)注機(jī)械系統(tǒng)。有幾種方法可以利用步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)。種方法是使用皮帶和皮帶輪將電機(jī)連接到移動(dòng)部件。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)的距離是電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度和皮帶輪直徑的函數(shù)。第二種方法是使用絲杠或滾珠絲杠。步進(jìn)電機(jī)直接連接到螺桿的末端，因此當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母以線性方式移動(dòng)。在這兩種情況下，作為單個(gè)微步的結(jié)果