【導讀】步進電機常被用於定位
，它們性價比高
、易於驅動，可用於開環係統，且無需像伺服電機那樣提供位置反饋

，因此非常適用於小型工業機器，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。對於工業應用來說，每轉 200 步的兩相混合式步進電機最為常見。這裏的 “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(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)步(bu)進(jin)值(zhi)可(ke)以(yi)設(she)置(zhi)為(wei)小(xiao)於(yu)整(zheng)步(bu)，稱(cheng)為(wei)微(wei)步(bu)進(jin)。它(ta)通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)來(lai)實(shi)現(xian)，使(shi)轉(zhuan)子(zi)可(ke)以(yi)定(ding)位(wei)於(yu)整(zheng)步(bu)之(zhi)間(jian)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)定(ding)義(yi)任(ren)何(he)大(da)小(xiao)的(de)微(wei)步(bu)進(jin)，因(yin)為(wei)其(qi)步(bu)進(jin)值(zhi)僅(jin)受(shou)製(zhi)於(yu)驅(qu)動(dong)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)的(de)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)器(qi) (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係統來說，這種精細的微步進並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麵影響。

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，如機械和磁性方麵的缺陷。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餘弦電流
，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製器的電流調節精度。典型的步進電機IC 隻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並不完美。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(bu)進(jin)電(dian)機(ji)均(jun)具(ju)有(you)額(e)定(ding)的(de)保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)。保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)是(shi)將(jiang)電(dian)機(ji)從(cong)整(zheng)步(bu)位(wei)置(zhi)拉(la)開(kai)所(suo)需(xu)的(de)扭(niu)矩(ju)，也(ye)是(shi)電(dian)機(ji)移(yi)動(dong)一(yi)整(zheng)步(bu)時(shi)能(neng)夠(gou)產(chan)生(sheng)的(de)扭(niu)矩(ju)。在(zai)每(mei)一(yi)個(ge)整(zheng)步(bu)之(zhi)後(hou)

，齒(chi)都(dou)會(hui)與(yu)最(zui)小(xiao)磁(ci)路(lu)對(dui)齊(qi)
，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)強(qiang)大(da)的(de)扭(niu)矩(ju)。

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%。

對運動控製係統而言
，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於電機額定保持扭矩。

實驗室測量

我(wo)們(men)通(tong)過(guo)幾(ji)個(ge)實(shi)驗(yan)來(lai)測(ce)試(shi)微(wei)步(bu)進(jin)的(de)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)。實(shi)驗(yan)室(shi)裝(zhuang)置(zhi)使(shi)用(yong)了(le)安(an)裝(zhuang)在(zai)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)軸(zhou)上(shang)的(de)第(di)一(yi)表(biao)麵(mian)鏡(jing)和(he)一(yi)個(ge)激(ji)光(guang)器(qi)。首(shou)先(xian)，光(guang)束(shu)通(tong)過(guo)鏡(jing)麵(mian)反(fan)射(she)到(dao)實(shi)驗(yan)室(shi)的(de)另(ling)一(yi)端(duan)，距(ju)離(li)約(yue)為(wei)9米；然後我們測量激光束的仰角

，並計算角度。精度測量主要受限於光束高度的測量精度；±1mm的高度對應±0.006°的精度。

用於實驗的電機為典型的混合式電機，常用於 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，隻有一麵鏡子安裝在軸上（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）

；yejiushishuo，dianjiyongyuanbuhuichaocuowudefangxiangyidonghuowufayidong。ruguochuxianzheleicuowu，nazhinengshuomingdianjibenshenjuyouguyouwucha
，huozheceliangcuowu。zaizheli，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，將電機與磁粉製動器連接在一起，該製動器用於向電機施加摩擦扭矩負載（參見圖4）。

圖4: 製動器裝置

同樣采用直流電流源重複上述測量，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: 增加扭矩後的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
，大於施加的 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

機械係統注意事項

為了實現微步進所需的精度，設計人員還必須考慮機械係統。

利(li)用(yong)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)來(lai)產(chan)生(sheng)線(xian)性(xing)運(yun)動(dong)的(de)方(fang)法(fa)有(you)多(duo)種(zhong)。第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)皮(pi)帶(dai)和(he)皮(pi)帶(dai)輪(lun)將(jiang)電(dian)機(ji)連(lian)接(jie)至(zhi)運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，旋(xuan)轉(zhuan)被(bei)轉(zhuan)換(huan)為(wei)線(xian)性(xing)運(yun)動(dong)。線(xian)性(xing)運(yun)動(dong)的(de)距(ju)離(li)為(wei)電(dian)機(ji)運(yun)動(dong)角(jiao)度(du)和(he)皮(pi)帶(dai)輪(lun)直(zhi)徑(jing)的(de)函(han)數(shu)。

第二種方法是使用螺杆或滾珠螺杆。步進電機直接連接至螺杆末端
，當螺杆旋轉時，螺帽以線性方式行進。

在(zai)這(zhe)兩(liang)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，單(dan)步(bu)微(wei)步(bu)進(jin)是(shi)否(fou)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)實(shi)際(ji)的(de)線(xian)性(xing)運(yun)動(dong)取(qu)決(jue)於(yu)摩(mo)擦(ca)扭(niu)矩(ju)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，為(wei)了(le)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)精(jing)度(du)
，必(bi)須(xu)將(jiang)摩(mo)擦(ca)扭(niu)矩(ju)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。

例(li)如(ru)，許(xu)多(duo)螺(luo)杆(gan)和(he)滾(gun)珠(zhu)螺(luo)杆(gan)螺(luo)帽(mao)都(dou)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)預(yu)緊(jin)力(li)可(ke)調(tiao)性(xing)。預(yu)緊(jin)力(li)是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)防(fang)止(zhi)反(fan)衝(chong)的(de)力(li)，反(fan)衝(chong)會(hui)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)引(yin)起(qi)一(yi)些(xie)間(jian)隙(xi)。然(ran)而(er)，增(zeng)加(jia)預(yu)緊(jin)力(li)會(hui)減(jian)少(shao)反(fan)衝(chong)，但(dan)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)摩(mo)擦(ca)力(li)。因(yin)此(ci)
，需(xu)要(yao)在(zai)反(fan)衝(chong)與(yu)摩(mo)擦(ca)力(li)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)權(quan)衡(heng)。

結論

在zai使shi用yong步bu進jin電dian機ji設she計ji運yun動dong控kong製zhi係xi統tong時shi，不bu能neng假jia設she電dian機ji的de額e定ding保bao持chi扭niu矩ju在zai微wei步bu進jin模mo式shi下xia仍reng然ran適shi用yong，因yin為wei在zai這zhe種zhong模mo式shi下xia增zeng量liang扭niu矩ju會hui大da大da降jiang低di，這zhe可ke能neng導dao致zhi意yi外wai的de定ding位wei錯cuo誤wu。上shang述shu測ce試shi已yi經jing證zheng明ming了le這zhe一yi點dian。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，增zeng加jia微wei步bu進jin分fen辨bian率lv並bing不bu能neng提ti高gao係xi統tong精jing度du。

weilekefuzhexiexianzhi
，jianyijinliangjianshaodianjishangdeniujufuzai，huoshiyongjuyougenggaoedingbaochiniujudedianji。tongchangqingkuangxia，zuihaodejiejuefanganshiweijixiexitongshejigengdadebujinzengliang，erbushiyilaijingxideweibujin。xiang 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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