运动控制：步进电机_步进电机持续运动自校准

在机械设计中，我们经常用到步进电机。

比如，用步进电机驱动同步带轴，实现直线运动。

再比如，用步进电机驱动滚珠丝杠轴，也可以把旋转运动转换为直线运动。

因为不需要反馈系统，所以步进电机的最大优点是，低成本下可以获得不错的精度。

其实，除了机器中的运动平台，生活中也可以发现步进电机的存在。

比如打印机，扫描仪，相机，ATM机，3D打印机等等。

那么，步进电机的原理是什么？

用一句话来说就是：给定子中的一组或多组线圈轮流通电，线圈中的电流产生磁场，转子为了寻找新的平衡位置，自动调整它的位置，对齐磁场，从而实现运动。

你可能会说，所有电机都是这个原理，哈，没错，那么关于具体细节，我们后面慢慢用图来说。

其实此前，我对步进电机的原理了解得也不是很多，不过最近好像对各类电机有点上瘾，所以特地多了解了一些，毕竟，我们时时刻刻都会和电机打交道。

了解了之后，这不趁今天周末，我就来分享一下。

但是因为我不是做电机的，所以若有不妥，或者不完善之处，还希望业内人士能够在留言区指出，补充。

今天的主要内容包括：步进电机的种类，构造，原理，满步半步微步控制方法，步进电机的速度扭矩特性，以及步进电机的优缺点等。

1.步进电机的类型

和其他类型的电机一样，步进电机也是由定子和转子构成。

在步进电机中，定子主要负责产生磁场，转子负责跟随磁场。

定子的主要特征包括相数，磁对数，以及线圈配置。

相数是独立线圈的数目，而磁对数表示每一相会产生多少对磁场。

2相步进电机是最常使用的，而3相，5相不常用。

2相单磁对数定子，

 

2相偶磁对数定子

 

因为步进电机的构造会影响步距，速度，扭矩，以及控制方式。

所以，接下来我先说说几种不同步进电机的构造。

它们的区别主要在于转子是怎么做的。

（1）永磁式转子（Permanent Magnet＝PM）

第一种，永磁式转子，这种是最简单，也是最便宜的。

它的结构如下图，中间的转子是用永磁铁做成。

当定子线圈通电产生磁场，转子磁铁自动对齐磁场，跟随旋转。

永磁式转子步进电机

线圈通电，中间转子自动对齐线圈产生的磁场 

这种结构，因为是用磁铁做转子，磁铁磁通量大，进而扭矩大，所以保证了较好的输出扭矩和制动扭矩。

所谓制动扭矩（Detent Torque），就是说，无论线圈是否通电，电机都会阻止旋转，这是因为永磁铁和定子之间的相互作用，会产生一定的扭矩，外力必须克服这个扭矩，电机才能动起来。

在电机生产厂家的产品目录中，有的也写为齿槽转矩（Cogging Torque），或者残余扭矩（Residual Torque）。

当然，有优势也就有劣势。

这种结构的不足之处在于，它的转速和步距（分辨率）不高，比如一步转动7.5°-15°，当然好处是体积可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可变磁阻式步进电机（Variable Reluctance＝VR）

 

这种电机，转子是用软磁材料做成，转子多齿，不同的齿形分布，可以产生不同的分辨率，线圈通电吸引转子，引发转动。

这种结构的好处是，可以实现高速及高分辨率，而且没有制动扭矩，但是扭矩比永磁式小，不适用于小电机。

因为没有永磁铁，所以可以在有外强磁场的环境中，使用这种电机。

（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）

混合型，看名字也大概知晓其含义，就是永磁式和可变磁阻式的混合。

这种电机的典型结构如下图。

混合型步进电机的运动原理

转子带两个齿冠，齿冠在轴向被磁化，一个齿冠是北极，一个是南极。

这种配置，使得混合型步进电机既有永磁式的优点，又有可变磁阻式的优点，特别是拥有高分辨率，高速，高扭矩。

混合型步进电机，通常每圈有200步，也就是步距为360/200=1.8°，这种类型的电机受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm。

当然，好特性需要更复杂的结构和控制，所以价格也更贵。

（4）单极步进电机和双极步进电机

按照接线方式的不同，步进电机又可以分为单极步进电机（Unipolar Stepper Motor），和双极步进电机（Bipolar Stepper Motor）。

单级和双极步进电机的引线方法

单级步进电机的驱动电路

在单极步进电机中，一根引线连接到线圈的中心点，这样连线的好处是，可以用相对简单的电路，来控制电流的方向。如下图所示，中央引线Am连接到输入电压Vin中，如果开关1处于激活状态，则电流从Am流到A+。如果开关2处于激活状态，则电流会从AM流到A-，从而在相反的方向上产生磁场。这种方法的好处是，可以简化驱动电路，因为仅需要两个半导体开关，但缺点是一次仅使用电机线圈的一半，这意味着，如果在线圈中流过相同的电流，磁场强度将会减半，另外，由于必须连接更多的引线，所以这种电机更难以构造。

 双极步进电机驱动电路

如上图所示，如果开关1和4处于激活状态，则电流从A+流向A-，而如果开关2和3处于激活状态，则电流从A-流向A+，在相反的方向上产生磁场。

这种连线方案，缺点是需要更复杂的驱动电路，但优点是可以实现电机最大扭矩。和单极步进电机相比，可以提高40%的扭矩，也就是单极步进电机的√2倍。

2.步进电机的满步，半步，及微步驱动

步进电机有三种驱动模式，即满步，半步，还有微步驱动。

（1）满步驱动（Full-step）

满步驱动，就是一次走一个步距，这是一种常用的驱动方式。

根据通电相数，满步驱动又分成两种，一种是单相通电驱动，一种是双相通电驱动。

为简单起见，以永磁式步进电机为例来说明，如下图。

单相通电满步驱动

2相通电满步驱动

2相慢去驱动，线圈的通电顺序

单相和2相通电 

（2）半步驱动（Half-step）

半步驱动，就是一次只走半个步距。

实现方式是单相和双相交替通电，原理如下图。

半步驱动的好处是提高分辨率，但是缺点是扭矩只有两相满步驱动的70%，当然，也可以通过优化线圈中电流大小，来提高半步驱动扭矩。

单步驱动：单相双相交替通电

 

 

（3）微步驱动（Microstepping）

因为电流大小不同，将会导致线圈产生的磁场强度不同，从而导致转子的平衡位置发生变化，这就是微步驱动的原理。

微步驱动原理：A线圈最开始有最大电流，而B线圈此时电流为零，定子指向A线圈。A线圈慢慢减小电流， B线圈慢慢增加电流，因为磁场平衡位置的变化，定子慢步向B线圈转动。宏观来看，A线圈中电流变化接近Cos曲线，B线圈电流变化接近Sin曲线，直到A线圈电流减为零，而B线圈电流达到最大值，定子指向B线圈。

微步驱动电流示意图：电流每一步的变化的大小，决定了微步运动的大小，上图是1/4，1/8，1/16

微步电流变化示意图

 

微步运动举例：在图1中，A线圈通满电流，图2中A线圈通最大电流的0.92倍，而B线圈通最大电流的0.38倍，实现22.5°旋转。同理，图3中，A和B线圈同时通最大电流的0.71倍，可以实现45°旋转。

比如，一个200步的步进电机，如果用满电流驱动，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的电流驱动，那么它的步距将会是0.9°。

当然还可以继续细分，一般地，步进电机一个步距可以细分256步。

步数越多，可以获得越平滑的运动，噪声也越小，不容易失步（丢步），但是代价就是扭矩大大减小。

所谓失步，就是电机没有按照命令走相应的步数，关于失步，后一小结中，我们专门来了解。

比如，当把一步分成16步时，扭矩仅为保持扭矩的10%左右。

设计时需要留够余量，比如一般会考虑负载的加减速，运动线的拖拽力，还有步进电机本身的制动扭矩（Detent Torque，由于定子和转子之间的磁力，产生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。

当微步扭矩超过负载扭矩和摩擦扭矩及制动扭矩之和时，连续的微步才会实现。

有时制动扭矩起正作用，比如当电动机停止时，制动转矩可能是有益的，因为它会抵消运动中的转子的动量，因此更高的制动转矩，将有助于电动机更快地停止。

也就是说，在微步模式下，电机不一定会动，这就会打乱全局精度。

所以，虽然微步可以实现更高的分辨率，但是并不一定能带来更好的精度。

你可能要问了，既然不一定能提高精度，那么为什么还要有微步驱动模式呢？

其实，微步驱动的主要作用在于减小机械噪声，减小共振，减小机械传动结构的磨损，实现更平滑的运动。

有研究表明，只有当载荷非常轻，微细步的扭矩足以驱动负载时，才可以提高精度。

实际上，把每整步细分成无限微步，就是两相永磁交流电机的运行原理，这个今天就不说了，日后我再开一篇日记来写吧。

现在，一些生产厂家，生产微步电机的努力方向，就是以牺牲保持扭矩为代价，减小制动扭矩，使得扭矩和位置关系更接近Sin曲线，而扭矩电流曲线更趋向线性。

我感觉这里啰嗦得够多了。

最后，关于满步，半步，微步驱动，这里有一张小结图。

看图，一下就明白了，还犹豫什么，我保存了。

 

 

3.步进电机的速度扭矩曲线图

步进电机理论的扭矩曲线，如下图。

保持转矩（Holding torque）：

这是当电机静止且施加额定电流到绕组时，电动机将产生的转矩。

拔出转矩曲线（Pull-Out Curve）：

该曲线表示步进电动机在任何给定速度下，可以提供给负载的最大转矩。

超过该曲线所需的任何转矩或速度，将导致电机失步，所以电机必须工作在此曲线下方。

实际上，通常所说的步进电机的扭矩速度曲线，指的就是这条曲线。

扭矩速度曲线是怎么来的呢？

首先将步进电机空载旋转至某一速度，然后通过制动器，缓慢将扭矩逐渐施加到输出轴上，并使用扭矩传感器测量扭矩，直到电机失去同步（停止）的那一刻，记录此时施加在电机轴上的转矩。

如此反复，在每个速度点，重复此过程3次，然后，将三个扭矩值的平均值，用作将显示在速度-扭矩曲线上的值，在多个速度点重复此过程，即可创建完整的扭矩速度曲线。

吸合转矩曲线（Pull-In Curve）：

此曲线表示，在施加负载的情况下，电机在没有任何加速或减速时，能够启动或停止的最大扭矩和速度组合。

简单理解，这是电机在施加负载，而不会失去同步性的情况下，可以瞬时启动，停止，或者反转的最大速度。

吸合转矩曲线，一般存在于老产品目录中，因为以前电机无法通过低共振区域运行，因此需要引入吸合转矩，来避免过大的共振。

但是，随着微步进技术的发展，现在不再需要以预定速度启动和停止，不必担心输入脉冲引起失步。

启停区域（Start-Stop Region）：

启停区域表示电机可以瞬间启动，停止和反向，并且不会失步的工作区域。

回转区域（Slew Region）：

回转区域，是拔出转矩和吸合转矩曲线之间的区域，也是电机通常运行的范围。

步进电机不能在此区域瞬间启动和停止，必须在启停区域启动，加速到吸合转矩曲线以上，或者在回转区域减速，然后在启停区域停止，否则将会失步。

现在，电机的产品目录中，实际的扭矩速度曲线，常常如下图。

 

尺寸为85mm的步进电机，在转速为1000r/min时，其扭矩相当于400W伺服电机的额定扭矩(来源于东方电机)

从图中可以看出，步进电动机的转矩特性不平坦，低速/中速范围内的转矩曲线趋向于变得很高，而在高速范围内则变得极低。

对于短距离定位，低速/中速范围内的高扭矩至关重要，这也是步进电机的优点之一。

相比之下，伺服电机中速至高速范围内，可以产生平稳的转矩，适用于长行程操作。

在选择步进电机时，一般要遵循2个原则。

（1）根据应用的最高转矩/速度选择电机，也就是根据最坏情况选择电机。

（2）扭矩余量至少保持30％以上。当空间允许，而且可变因素较多时，可以选择更大的余量，比如50%，80%，甚至100%。

4.步进电机失步原因，及常用解决办法

所谓失步，就是电机没有按照命令走相应的步数。

通常过大的运行步距，会导致高振荡，因为过大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又会产生大加速度，进而容易产生过冲和铃响（振荡）现象。

过大的步距产生振动

脉冲频率和自然频率相等时，发生振动。在上面的示例中，过度的振动导致在90度附近，没有停稳，然后电机响应下一个脉冲，离开90度附近，到达180度。

当输入的脉冲频率，和转子的自然频率相等时，会发生共振，并且导致丢步。

通常在100-200pps范围附近，有一个共振区域，在高阶脉冲速率区域中，也有一个共振区域。

步进电机的共振现象，来自其基本结构，因此不可能完全消除。

共振和负载条件也有关系，一般可以通过半步或微步模式驱动电机，来减小共振，或者选择高于共振频率的驱动频率来驱动电机，以避开共振。

因为构造原因，如果步进电机在低速丢步，那么会丢多步，例如8，12，16等4的倍数，高速丢步时电机会停止，如果丢步低于4步，那么是电子换向（Commutation）引起的。

失步会丢失精度，在步进电机的应用中，应该避免这种情况的发生。

下面是步进电机在使用过程中，常常遇到的问题，以及解决办法。