【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）；也ye就jiu是shi說shuo，電dian機ji永yong遠yuan不bu會hui朝chao錯cuo誤wu的de方fang向xiang移yi動dong或huo無wu法fa移yi動dong。如ru果guo出chu現xian這zhe類lei錯cuo誤wu
，那na隻zhi能neng說shuo明ming電dian機ji本ben身shen具ju有you固gu有you誤wu差cha，或huo者zhe測ce量liang錯cuo誤wu。在zai這zhe裏li

，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。

liyongbujindianjilaichanshengxianxingyundongdefangfayouduozhong。diyizhongfangfashitongguopidaihepidailunjiangdianjilianjiezhiyundongbujian。zaizhezhongqingkuangxia，xuanzhuanbeizhuanhuanweixianxingyundong。xianxingyundongdejuliweidianjiyundongjiaoduhepidailunzhijingdehanshu。

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)。

為(wei)了(le)克(ke)服(fu)這(zhe)些(xie)限(xian)製(zhi)，建(jian)議(yi)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)電(dian)機(ji)上(shang)的(de)扭(niu)矩(ju)負(fu)載(zai)，或(huo)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)額(e)定(ding)保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)的(de)電(dian)機(ji)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，最(zui)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)為(wei)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)更(geng)大(da)的(de)步(bu)進(jin)增(zeng)量(liang)，而(er)不(bu)是(shi)依(yi)賴(lai)精(jing)細(xi)的(de)微(wei)步(bu)進(jin)。像(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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