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微步真的那么好吗？

步进电机常用于定位。它们具有成本效益、易于驱动、可用于开环系统并且不需要像伺服电机那样的位置反馈，因此非常适合激光雕刻机、3D 打印机和激光打印机等小型工业机器。和其他办公设备。

同时，步进电机的种类也很多。对于工业应用，最常见的是每转200 步的两相混合式步进电机。这里的“混合”是指使用永磁体和齿铁转子（例如可变磁阻电机）的工作方式，而“200步”则意味着电机每步移动1.8，即电机上的步数。转子和定子。牙齿数量的函数。

本文将重点介绍这种最常见的两相混合式步进电机。图1 显示了典型的两相混合电机。

图1：典型的两相混合式步进电机

微步进

步进电机的步长值可以设置为小于整步，这称为微步。它通过调节绕组电流来实现这一点，以便转子可以定位在全步之间。设计人员可以定义几乎任何大小的微步，因为步值仅受到数模转换器(DAC) 和驱动绕组电流的放大器的分辨率的限制，因此1/256 分辨率甚至1/1024 分辨率都非常常见。

然而，实际上对于大多数机械系统来说，如此精细的微步进并不总能提高定位精度，而且还有许多其他因素会对性能产生负面影响。

固有误差

微步进中的角度误差有多个来源。一是电机本身的缺陷，如机械缺陷、磁缺陷等。没有电机具有完美的正弦电流位置传递函数。即使您可以向电机施加完美的正弦和余弦电流，电机的运动也永远不会是绝对线性的。

另一个误差来源是步进电机控制器的电流调节精度。典型的步进电机IC 的精确度仅为满量程电流的5% 左右。此外，当前两个通道之间的调节匹配可能并不完美。这些不精确的因素都会降低定位精度。

有关这些错误的更多信息，请参阅应用笔记了解MP6500 电流控制。

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。每完成一步后，齿都会与最小磁路对齐，从而产生强大的扭矩。

增量保持扭矩=（全步保持扭矩）sin（90/X）

上式中的X代表微步进步数。

例如，对于1/8步，增量扭矩约为全步扭矩的20%；对于1/32 步，增量扭矩仅为全步扭矩的5%。

对于运动控制系统来说，它代表执行微步时要达到的实际所需位置，电机上的扭矩负载必须远小于电机的额定保持扭矩。

实验室测量

我们进行了多次实验来测试微步进的定位精度。实验室设置使用安装在步进电机和激光器轴上的第一个表面镜。首先，光束经镜子反射到实验室的另一端，距离约9米；然后我们测量激光束的仰角并计算角度。精度测量主要受梁高测量精度的限制； 1mm 的高度对应于0.006 的精度。

实验中使用的电机是典型的混合电机，常用于3D打印机等产品。电机为1.8双极电机，额定电流2.8A，保持扭矩1.26Nm。

第一个实验单独测量了电机的精度。我们使用精确的直流电流源驱动两相，电机轴上没有扭矩负载，仅在轴上安装了镜子（见图2）。

图2: 安装在步进电机轴上的镜子

使用此设置进行的测量显示出很少的非线性；但总体而言，角度精度约为0.03。此外，电机运动是单调的（见图3）；也就是说，电机永远不会向错误方向移动或无法移动。如果出现此类误差，只能说明电机本身存在固有误差，或者测量有误。这里，1/32 步长对应于0.056 的精度。

图3: 1/32步进电机空载精度

接下来，电机与磁粉制动器耦合在一起，磁粉制动器用于向电机施加摩擦扭矩负载（见图4）。

图4: 制动装置

使用相同的直流电流源重复上述测量，向电机轴施加约0.1Nm 的扭矩。图5 显示电机每隔一步就会暂停一次，这与之前的测量结果有很大不同。

图5: 1/32步进电机增加扭矩后的精度

此行为与计算出的电机增量扭矩一致。 1/32 微步的增量扭矩约为保持扭矩的5%。保持扭矩为1.26Nm，一微步增量可产生约0.06Nm 的预期扭矩。当然，这不足以克服摩擦负载，因此需要两个微步进以获得足够高的扭矩以克服负载。

如果扭矩增加到0.9Nm（大约为堵转扭矩的70%），则需要更多的微步进来将扭矩增加到移动电机的点（见图6）。

图6: 1/32 步进电机扭矩0.9Nm

我们使用MPS 的MP6500 步进电机驱动器IC 进行了两个类似的实验。 MP6500 采用精确的PWM 电流调节，可以全步、半步、1/4 步或1/8 步运行。图7 显示了MP6500 的功能框图。

图7: MP6500步进电机驱动器

要测试使用传统步进电机驱动器IC 与使用直流电流源的精度是否不同，请首先在0.1Nm 扭矩和1/8 步进模式下进行测试。 1/8步产生的扭矩约为全步的20%，即0.25Nm，大于施加的扭矩0.1Nm。图8显示了测量结果，显示实际角度与理想角度相符。

图8: MP6500，具有1/8 步长和0.1Nm 扭矩

第二次测试施加0.4Nm的扭矩。这超过了1/8 步长(0.25Nm) 的增量保持扭矩。正如预期的那样，微步进被跳过（参见图9）。

图9: MP6500，具有1/8 步长和0.4Nm 扭矩

机械系统注意事项

为了达到微步进所需的精度，设计人员还必须考虑机械系统。

使用步进电机产生线性运动的方法有很多种。第一种方法是通过皮带和滑轮将电机连接到运动部件。在这种情况下，旋转运动被转换为直线运动。直线运动的距离是电机运动角度和滑轮直径的函数。微燕商城购买现货电子元件

第二种方法是使用螺钉或滚珠丝杠。步进电机直接连接到螺杆的末端，当螺杆旋转时，螺母以线性方式移动。

在这两种情况下，是否可以通过单微步实现实际的直线运动取决于摩擦扭矩。这意味着，为了获得最佳精度，必须将摩擦扭矩降至最低。

例如，许多丝杠和滚珠丝杠螺母都具有一定的预载可调性。预载是一种用于防止反冲的力，反冲可能会导致系统产生一些间隙。然而，增加预紧力会减少间隙，但也会增加摩擦。因此，反冲力和摩擦力之间需要权衡。

综上所述

当设计使用步进电机的运动控制系统时，不能假设电机的额定保持扭矩仍然适用于微步模式，因为在该模式下增量扭矩将大大减少，这可能会导致意外的定位误差。上述测试已经证明了这一点。在某些情况下，增加微步进分辨率并不能提高系统精度。

为了克服这些限制，建议最大限度地减少电机上的扭矩负载或使用具有更高额定保持扭矩的电机。通常，最好的解决方案是为机械系统设计更大的步进增量，而不是依赖于精细的微步进。 MP6500 等步进电机驱动器在1/8 步进模式下提供与昂贵的传统微步进驱动器相当的机械性能。