【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

bujindianjidebujinzhikeyishezhiweixiaoyuzhengbu
，chengweiweibujin。tatongguotiaojieraozudianliulaishixian
，shizhuanzikeyidingweiyuzhengbuzhijian。shejirenyuanjihukeyidingyirenhedaxiaodeweibujin
，yinweiqibujinzhijinshouzhiyuqudongraozudianliudeshumozhuanhuanqi (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wei9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。

zaizheliangzhongqingkuangxia
，danbuweibujinshifoukeyishixianshijidexianxingyundongqujueyumocaniuju。zheyiweizhe
，weilehuodezuijiajingdu，bixujiangmocaniujujiangzhizuidi。

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

zaishiyongbujindianjishejiyundongkongzhixitongshi，bunengjiashedianjideedingbaochiniujuzaiweibujinmoshixiarengranshiyong，yinweizaizhezhongmoshixiazengliangniujuhuidadajiangdi，zhekenengdaozhiyiwaidedingweicuowu。shangshuceshiyijingzhengminglezheyidian。zaimouxieqingkuangxia，zengjiaweibujinfenbianlvbingbunengtigaoxitongjingdu。

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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