微步進(jìn)真的那么好嗎？

步進(jìn)電機常被用于定位，它們性?xún)r(jià)比高、易于驅動(dòng)，可用于開(kāi)環(huán)系統，且無(wú)需像伺服電機那樣提供位置反饋，因此非常適用于小型工業(yè)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(shí)，步進(jìn)電機的品種也非常繁多。對于工業(yè)應用來(lái)說(shuō)，每轉 200 步的兩相混合式步進(jìn)電機最為常見(jiàn)。這里的 “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(dòng) 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(jiàn)的兩相混合式步進(jìn)電機進(jìn)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(jìn)電機

微步進(jìn)

步進(jìn)電機的步進(jìn)值可以設置為小于整步，稱(chēng)為微步進(jìn)。它通過(guò)調節繞組電流來(lái)實(shí)現，使轉子可以定位于整步之間。設計人員幾乎可以定義任何大小的微步進(jìn)，因為其步進(jìn)值僅受制于驅動(dòng)繞組電流的數模轉換器 (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(jiàn)。

然而，實(shí)際上對大多數的機械系統來(lái)說(shuō)，這種精細的微步進(jìn)并不總能提高定位精度，還有很多其他因素都會(huì )對性能產(chǎn)生負面影響。

固有誤差

微步進(jìn)中的角度誤差有幾個(gè)來(lái)源。一是電機本身的缺陷，如機械和磁性方面的缺陷。沒(méi)有電機會(huì )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余弦電流，電機的運動(dòng)也不可能是絕對的線(xiàn)性。

另一個(gè)誤差源是步進(jìn)電機控制器的電流調節精度。典型的步進(jìn)電機IC 只能精確到滿(mǎn)量程電流的 5%左右。另外，兩個(gè)通道之間的電流調節匹配度也可能并不完美。這些不精確的因素都會(huì )降低定位的精度。

有關(guān)這些誤差的更多信息，請參閱應用說(shuō)明 《Understanding MP6500 Current Control》.

步進(jìn)電機扭矩

步進(jìn)電機均具有額定的保持扭矩。保持扭矩是將電機從整步位置拉開(kāi)所需的扭矩，也是電機移動(dòng)一整步時(shí)能夠產(chǎn)生的扭矩。在每一個(gè)整步之后，齒都會(huì )與最小磁路對齊，從而產(chǎn)生強大的扭矩。

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(jìn)的步數。

舉例來(lái)說(shuō)，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(dòng)控制系統而言，它代表在執行微步進(jìn)時(shí)實(shí)際要達到的預期位置，電機上的扭矩負載必須遠小于電機額定保持扭矩。

實(shí)驗室測量

我們通過(guò)幾個(gè)實(shí)驗來(lái)測試微步進(jìn)的定位精度。實(shí)驗室裝置使用了安裝在步進(jìn)電機軸上的第一表面鏡和一個(gè)激光器。首先，光束通過(guò)鏡面反射到實(shí)驗室的另一端，距離約為9米；然后我們測量激光束的仰角，并計算角度。精度測量主要受限于光束高度的測量精度；±1mm的高度對應±0.006°的精度。

用于實(shí)驗的電機為典型的混合式電機，常用于 3D 打印機等產(chǎn)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(gè)實(shí)驗單獨測量了電機的精度。我們用精確的直流電流源來(lái)驅動(dòng)兩相，電機軸上無(wú)扭矩負載，只有一面鏡子安裝在軸上（參見(jiàn)圖 2）。

圖2:步進(jìn)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(xiàn)性度；但總體而言，角度精度良好，約為 ±0.03°。而且，電機運動(dòng)具有單調性（參見(jiàn)圖 3）；也就是說(shuō)，電機永遠不會(huì )朝錯誤的方向移動(dòng)或無(wú)法移動(dòng)。如果出現這類(lèi)錯誤，那只能說(shuō)明電機本身具有固有誤差，或者測量錯誤。在這里，1/32 步對應精度為0.056°。

圖3: 1/32步進(jìn)電機空載精度

接下來(lái)，將電機與磁粉制動(dòng)器連接在一起，該制動(dòng)器用于向電機施加摩擦扭矩負載（參見(jiàn)圖4）。

圖4: 制動(dòng)器裝置

同樣采用直流電流源重復上述測量，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(huì )暫停，這與之前的測量結果大為不同。

圖5: 增加扭矩后的1/32 步進(jìn)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(jìn)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(gè)微步進(jìn)步數產(chǎn)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(gè)微步進(jìn)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(jìn)步數才能將扭矩提高到使電機運動(dòng)的點(diǎn)（參見(jiàn)圖 6）。

圖6: 扭矩為0.9Nm 的1/32 步進(jìn)電機

我們采用 MPS 的 MP6500, 步進(jìn)電機驅動(dòng)器 IC 進(jìn)行兩個(gè)類(lèi)似的實(shí)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(jìn)電機驅動(dòng)器

為了測試使用傳統步進(jìn)電機驅動(dòng)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(jìn)模式下進(jìn)行測試。1/8 步產(chǎn)生的扭矩約為整步的 20%，即 0.25Nm，大于施加的 0.1Nm 扭矩。圖 8 顯示的測量結果表明實(shí)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(guò)了 1/8 步的增量保持扭矩（0.25Nm）。正如預期的那樣，微步進(jìn)被跳過(guò)（參見(jiàn)圖 9）。

圖9: 采用1/8步且扭矩為0.4Nm 的MP6500

機械系統注意事項

為了實(shí)現微步進(jìn)所需的精度，設計人員還必須考慮機械系統。

利用步進(jìn)電機來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)性運動(dòng)的方法有多種。第一種方法是通過(guò)皮帶和皮帶輪將電機連接至運動(dòng)部件。在這種情況下，旋轉被轉換為線(xiàn)性運動(dòng)。線(xiàn)性運動(dòng)的距離為電機運動(dòng)角度和皮帶輪直徑的函數。

第二種方法是使用螺桿或滾珠螺桿。步進(jìn)電機直接連接至螺桿末端，當螺桿旋轉時(shí)，螺帽以線(xiàn)性方式行進(jìn)。

在這兩種情況下，單步微步進(jìn)是否可以實(shí)現實(shí)際的線(xiàn)性運動(dòng)取決于摩擦扭矩。這意味著(zhù)，為了獲得最佳精度，必須將摩擦扭矩降至最低。

例如，許多螺桿和滾珠螺桿螺帽都具有一定的預緊力可調性。預緊力是一種用于防止反沖的力，反沖會(huì )在系統中引起一些間隙。然而，增加預緊力會(huì )減少反沖，但也會(huì )增加摩擦力。因此，需要在反沖與摩擦力之間進(jìn)行權衡。

結論

在使用步進(jìn)電機設計運動(dòng)控制系統時(shí)，不能假設電機的額定保持扭矩在微步進(jìn)模式下仍然適用，因為在這種模式下增量扭矩會(huì )大大降低，這可能導致意外的定位錯誤。上述測試已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。在某些情況下，增加微步進(jìn)分辨率并不能提高系統精度。

為了克服這些限制，建議盡量減少電機上的扭矩負載，或使用具有更高額定保持扭矩的電機。通常情況下，最好的解決方案是為機械系統設計更大的步進(jìn)增量，而不是依賴(lài)精細的微步進(jìn)。像 MP6500 這樣的步進(jìn)電機驅動(dòng)器以 1/8 步進(jìn)模式提供的機械性能，是能夠與昂貴的傳統微步進(jìn)驅動(dòng)器相媲美的。

來(lái)源：MPS