为什么步进电机中的微步进不如您想象的那么好

    步进电机通常用于定位，因为它们具有成本效益、易于驱动并且可用于开环系统——这意味着它们不需要像伺服电机那样的位置反馈。步进电机用于小型工业机器，例如激光雕刻机、3D 打印机和激光打印机等办公设备。

    步进电机有多种选择。对于工业应用，每转 200 步的两相混合式步进电机非常普遍。对于这些电机，“混合”是指它们如何使用永磁体和带齿铁转子（例如，可变磁阻电机），“200 步”是指电机在每步之间移动 1.8°。这些步骤是转子和定子上齿数的函数。

    本文将重点介绍两相混合式步进电机，因为它们是常见的。

    可以将步进电机移动不到整步。这个过程称为微步进，是通过调制通过绕组的电流来实现的，这样转子就可以定位在整步之间。设计人员几乎可以为微步指定任何大小，因为步长仅受驱动绕组电流的数模转换器 (DAC) 和放大器的分辨率的限制。1/256 甚至 1/1024 的分辨率并不少见。

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

    微步中有几个角度误差。一个是电机本身的缺陷——机械和磁性——因为电机没有完美的正弦电流到位置传递函数。即使您向电机施加完美的正弦和余弦电流，运动也不是完美的线性。

    另一个误差是步进电机控制器的电流调节精度。典型的步进 IC 到满量程电流的 5% 左右。此外，两个通道之间的电流调节匹配可能并不完美。这些不准确的结果降低了定位精度。

    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。在每一个完整的步骤之后，齿与的磁路对齐，从而产生强大的扭矩。

    微步时，由于转子被保持在整步位置之间并且磁路更长，因此保持转矩会降低。这个增量保持扭矩可以用公式（1）计算：

    增量保持力矩 = (整步保持力矩) x sin (90°/X) (1)

    其中 X 是微步数

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

    这对运动控制系统意味着什么？这意味着要在执行微步时实际达到预期位置，电机上的扭矩负载必须是电机额定保持扭矩的一小部分。

    为了测试微步进时的位置精度，进行了几个实验。实验室设置使用安装在步进电机轴上的表面反射镜和激光器。光束从镜子反射到实验室的另一端，距离大约 9 m。然后测量激光束的仰角，并计算角度。精度测量主要受光束高度测量精度的限制；在 ±1mm 处，这对应于 ±0.006° 的精度。

    用于实验的电机是典型的混合动力电机，通常用于 3D 打印机等产品。这是一个1.8°的双极电机，额定电流为2.8A，保持扭矩为1.26Nm。

    个实验单独测量了电机的精度。它使用的直流电流源来驱动两相，并且没有扭矩负载施加到电机轴上。相反，只有镜子在轴上。

    该设置的结果显示出小的非线性，但总的来说，角度精度很好；它约为 ±0.03°，运动是单调的（图 3）。也就是说，电机从未在错误的方向上移动或无法移动。这些误差表示电机本身的固有误差，加上测量误差。请注意，1/32 步长对应于 0.056°。