为什么步进电机中的微步进不如您想象的那么好
发布日期:2023-02-23
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步进电机通常用于定位，因为它们具有成本效益、易于驱动并且可用于开环系统——这意味着它们不需要像伺服电机那样的位置反馈。步进电机用于小型工业机器，例如激光雕刻机、3D 打印机和激光打印机等办公设备。
步进电机有多种选择。对于工业应用，每转 200 步的两相混合式步进电机非常普遍。对于这些电机，“混合”是指它们如何使用永磁体和带齿铁转子（例如，可变磁阻电机），“200 步”是指电机在每步之间移动 1.8°。这些步骤是转子和定子上齿数的函数。
本文将重点介绍两相混合式步进电机，因为它们是常见的。
微步如何工作
可以将步进电机移动不到整步。这个过程称为微步进，是通过调制通过绕组的电流来实现的，这样转子就可以定位在整步之间。设计人员几乎可以为微步指定任何大小，因为步长仅受驱动绕组电流的数模转换器 (DAC) 和放大器的分辨率的限制。1/256 甚至 1/1024 的分辨率并不少见。
实际上，对于大多数机械系统而言，如此精细的微步进并不总能提高定位精度。许多其他因素会对性能产生负面影响。
微步中有几个角度误差。一个是电机本身的缺陷——机械和磁性——因为电机没有完美的正弦电流到位置传递函数。即使您向电机施加完美的正弦和余弦电流，运动也不是完美的线性。
另一个误差是步进电机控制器的电流调节精度。典型的步进 IC 到满量程电流的 5% 左右。此外，两个通道之间的电流调节匹配可能并不完美。这些不准确的结果降低了定位精度。
步进电机扭矩
步进电机的额定保持扭矩。保持扭矩是将电机拉离整步位置所需的扭矩，也是电机移动整步时可以产生的扭矩。在每一个完整的步骤之后，齿与的磁路对齐，从而产生强大的扭矩。
微步时，由于转子被保持在整步位置之间并且磁路更长，因此保持转矩会降低。这个增量保持扭矩可以用公式（1）计算：
增量保持力矩 = (整步保持力矩) x sin (90°/X) (1)
其中 X 是微步数
例如，对于 1/8 步，增量扭矩约为整步扭矩的 20%。对于 1/32 步，增量扭矩仅为整步扭矩的 5%。
这对运动控制系统意味着什么？这意味着要在执行微步时实际达到预期位置，电机上的扭矩负载必须是电机额定保持扭矩的一小部分。
实验室测量
为了测试微步进时的位置精度，进行了几个实验。实验室设置使用安装在步进电机轴上的表面反射镜和激光器。光束从镜子反射到实验室的另一端，距离大约 9 m。然后测量激光束的仰角，并计算角度。精度测量主要受光束高度测量精度的限制；在 ±1mm 处，这对应于 ±0.006° 的精度。
用于实验的电机是典型的混合动力电机，通常用于 3D 打印机等产品。这是一个1.8°的双极电机，额定电流为2.8A，保持扭矩为1.26Nm。
个实验单独测量了电机的精度。它使用的直流电流源来驱动两相，并且没有扭矩负载施加到电机轴上。相反，只有镜子在轴上。
该设置的结果显示出小的非线性，但总的来说，角度精度很好；它约为 ±0.03°，运动是单调的（图 3）。也就是说，电机从未在错误的方向上移动或无法移动。这些误差表示电机本身的固有误差，加上测量误差。请注意，1/32 步长对应于 0.056°。
图 3 1/32 步空载精度确保单调运动。资料：单片电源系统
接下来，将电机耦合到磁粉制动器，该制动器将摩擦扭矩负载施加到电机。
使用直流电流源重复相同的测量，将大约 0.1 Nm 的扭矩施加到电机轴上。图 5显示这些结果明显不同，因为每隔一步都没有运动。
图 5增加扭矩的 1/32 步长显示出明显不同的结果。资料：单片电源系统
此行为符合为该电机计算的增量扭矩。1/32 微步的增量扭矩约为保持扭矩的 5%。在这种情况下，保持扭矩为 1.26 Nm，一个微步产生的预期扭矩约为 0.06 Nm。然而，这还不足以克服摩擦负载，因此在扭矩高到足以克服负载之前需要两微步。
如果我们将扭矩增加到 0.9 Nm（大约是失速扭矩的 70%），则需要更多的微步才能将扭矩增加到电机移动的点（图6）。
图 6具有 0.9 Nm 扭矩的 1/32 步进需要更多的微步来移动电机。资料：单片电源系统
使用 MPS 的MP6500步进电机驱动器 IC进行了两个类似的实验。MP6500 驱动器 IC 使用的 PWM 电流调节，可以从整步到 1/8 步运行。图 7显示了 MP6500 的框图。
图 7 MP6500 步进电机驱动器采用基于 PWM 的电流调节。资料：单片电源系统
为了测试使用传统步进电机驱动器 IC 的精度是否与使用直流电流源时不同，个测试是在 0.1 Nm 扭矩和 1/8 步进模式下进行的。1/8 步产生的扭矩大约是整步的 20%，即 0.25Nm，比施加的 0.1Nm 扭矩大。图 8显示了结果，表明实际角度跟踪了理想角度。
图 8在次测试中，MP6500 步进电机驱动器 IC 使用 1/8 步长和 0.1 Nm 扭矩。资料：单片电源系统
对于第二个测试，施加了 0.4 Nm 的扭矩。这大于 1/8 步的增量保持扭矩 (0.25 Nm)。正如预期的那样，微步被跳过（图 9）。
图 9在第二个测试中，MP6500 使用 1/8 步长和 0.4 Nm 扭矩。资料：单片电源系统
机械方面的考虑
为了在微步进时获得所需的精度，设计人员必须密切关注机械系统。
有几种方法可以利用步进电机产生线性运动。种方法是使用皮带和皮带轮将电机连接到移动部件。在这种情况下，旋转被转换为线性运动。移动的距离是电机运动角度和皮带轮直径的函数。
第二种方法是使用丝杠或滚珠丝杠。步进电机直接连接到螺杆的末端，因此当螺杆旋转时，螺母以线性方式移动。
在这两种情况下，作为单个微步的结果是否实际存在线性运动取决于摩擦力矩。这意味着为了获得精度，必须化摩擦力矩。
例如，许多导螺杆和滚珠丝杠螺母具有一定的预载可调性。预载是一种用于防止反冲的力，反冲会在系统中产生一些间隙。然而，增加预紧力会降低背隙，但也会增加摩擦力。因此，在反弹和摩擦之间存在权衡。
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