機(jī)械社區(qū)

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在機(jī)械設(shè)計中，我們經(jīng)常用到步進(jìn)電機(jī)。

比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶軸，實現(xiàn)直線運(yùn)動。

再比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠軸，也可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。

因為不需要反饋系統(tǒng)，所以步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是，低成本下可以獲得不錯的精度。

其實，除了機(jī)器中的運(yùn)動平臺，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的存在。

比如打印機(jī)，掃描儀，相機(jī)，ATM機(jī)，3D打印機(jī)等等。

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步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用（不包括圖中機(jī)器人）

那么，步進(jìn)電機(jī)的原理是什么？

用一句話來說就是：給定子中的一組或多組線圈輪流通電，線圈中的電流產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子為了尋找新的平衡位置，自動調(diào)整它的位置，對齊磁場，從而實現(xiàn)運(yùn)動。

你可能會說，所有電機(jī)都是這個原理，哈，沒錯，那么關(guān)于具體細(xì)節(jié)，我們后面慢慢用圖來說。

其實此前，我對步進(jìn)電機(jī)的原理了解得也不是很多，不過最近好像對各類電機(jī)有點(diǎn)上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時時刻刻都會和電機(jī)打交道。

但是因為我不是做電機(jī)的，所以若有不妥，或者不完善之處，還希望業(yè)內(nèi)人士能夠在留言區(qū)指出，補(bǔ)充。

今天的主要內(nèi)容包括：步進(jìn)電機(jī)的種類，構(gòu)造，原理，滿步半步微步控制方法，步進(jìn)電機(jī)的速度扭矩特性，以及步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)等。

1.步進(jìn)電機(jī)的類型

和其他類型的電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。

在步進(jìn)電機(jī)中，定子主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)跟隨磁場。

定子的主要特征包括相數(shù)，磁對數(shù)，以及線圈配置。

相數(shù)是獨(dú)立線圈的數(shù)目，而磁對數(shù)表示每一相會產(chǎn)生多少對磁場。

2相步進(jìn)電機(jī)是最常使用的，而3相，5相不常用。

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左圖是2相步進(jìn)電機(jī)，右圖是3相步進(jìn)電機(jī)定子示意圖

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左圖是2相單磁對數(shù)定子，右圖是2相偶磁對數(shù)定子，字母N和S表示當(dāng)A+和A-通電時，定子產(chǎn)生的磁場。

因為步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造會影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。

所以，接下來我先說說幾種不同步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造。

它們的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子是怎么做的。

（1）永磁式轉(zhuǎn)子（Permanent Magnet＝PM）

第一種，永磁式轉(zhuǎn)子，這種是最簡單，也是最便宜的。

它的結(jié)構(gòu)如下圖，中間的轉(zhuǎn)子是用永磁鐵做成。

當(dāng)定子線圈通電產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子磁鐵自動對齊磁場，跟隨旋轉(zhuǎn)。

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永磁式轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)

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線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動對齊線圈產(chǎn)生的磁場（圖片來自Microchip）

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線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動對齊線圈產(chǎn)生的磁場（圖片來自Faulhaber）

這種結(jié)構(gòu)，因為是用磁鐵做轉(zhuǎn)子，磁鐵磁通量大，進(jìn)而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動扭矩。

所謂制動扭矩（Detent Torque），就是說，無論線圈是否通電，電機(jī)都會阻止旋轉(zhuǎn)，這是因為永磁鐵和定子之間的相互作用，會產(chǎn)生一定的扭矩，外力必須克服這個扭矩，電機(jī)才能動起來。

在電機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄中，有的也寫為齒槽轉(zhuǎn)矩（Cogging Torque），或者殘余扭矩（Residual Torque）。

當(dāng)然，有優(yōu)勢也就有劣勢。

這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于，它的轉(zhuǎn)速和步距（分辨率）不高，比如一步轉(zhuǎn)動7.5°-15°，當(dāng)然好處是體積可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance＝VR）

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可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

這種電機(jī)，轉(zhuǎn)子是用軟磁材料做成，轉(zhuǎn)子多齒，不同的齒形分布，可以產(chǎn)生不同的分辨率，線圈通電吸引轉(zhuǎn)子，引發(fā)轉(zhuǎn)動。

這種結(jié)構(gòu)的好處是，可以實現(xiàn)高速及高分辨率，而且沒有制動扭矩，但是扭矩比永磁式小，不適用于小電機(jī)。

因為沒有永磁鐵，所以可以在有外強(qiáng)磁場的環(huán)境中，使用這種電機(jī)。

（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）

混合型，看名字也大概知曉其含義，就是永磁式和可變磁阻式的混合。

這種電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如下圖。

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永磁和可變磁阻混合型步進(jìn)電機(jī)（來自Microchips）

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混合型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動原理

轉(zhuǎn)子帶兩個齒冠，齒冠在軸向被磁化，一個齒冠是北極，一個是南極。

這種配置，使得混合型步進(jìn)電機(jī)既有永磁式的優(yōu)點(diǎn)，又有可變磁阻式的優(yōu)點(diǎn)，特別是擁有高分辨率，高速，高扭矩。

混合型步進(jìn)電機(jī)，通常每圈有200步，也就是步距為360/200=1.8°，這種類型的電機(jī)受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm。

當(dāng)然，好特性需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制，所以價格也更貴。

（4）單極步進(jìn)電機(jī)和雙極步進(jìn)電機(jī)

按照接線方式的不同，步進(jìn)電機(jī)又可以分為單極步進(jìn)電機(jī)（Unipolar Stepper Motor），和雙極步進(jìn)電機(jī)（Bipolar Stepper Motor）。

單極和雙極步進(jìn)電機(jī)的引線方法

單極和雙極步進(jìn)電機(jī)的引線方法

單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

在單極步進(jìn)電機(jī)中，一根引線連接到線圈的中心點(diǎn)，這樣連線的好處是，可以用相對簡單的電路，來控制電流的方向。

如上圖所示，中央引線Am連接到輸入電壓Vin中，如果開關(guān)1處于激活狀態(tài)，則電流從Am流到A+。

如果開關(guān)2處于激活狀態(tài)，則電流會從AM流到A-，從而在相反的方向上產(chǎn)生磁場。

這種方法的好處是，可以簡化驅(qū)動電路，因為僅需要兩個半導(dǎo)體開關(guān)，但缺點(diǎn)是一次僅使用電機(jī)線圈的一半，這意味著，如果在線圈中流過相同的電流，磁場強(qiáng)度將會減半，另外，由于必須連接更多的引線，所以這種電機(jī)更難以構(gòu)造。

雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

在雙極步進(jìn)電機(jī)中，每個線圈只有兩個引線，要控制方向，必須使用H橋電路。

如上圖所示，如果開關(guān)1和4處于激活狀態(tài)，則電流從A+流向A-，而如果開關(guān)2和3處于激活狀態(tài)，則電流從A-流向A+，在相反的方向上產(chǎn)生磁場。

這種連線方案，缺點(diǎn)是需要更復(fù)雜的驅(qū)動電路，但優(yōu)點(diǎn)是可以實現(xiàn)電機(jī)最大扭矩。和單極步進(jìn)電機(jī)相比，可以提高40%的扭矩，也就是單極步進(jìn)電機(jī)的√2倍。

2.步進(jìn)電機(jī)的滿步，半步，及微步驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)有三種驅(qū)動模式，即滿步，半步，還有微步驅(qū)動。

（1）滿步驅(qū)動（Full-step）

滿步驅(qū)動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅(qū)動方式。

根據(jù)通電相數(shù)，滿步驅(qū)動又分成兩種，一種是單相通電驅(qū)動，一種是雙相通電驅(qū)動。

為簡單起見，以永磁式步進(jìn)電機(jī)為例來說明，如下圖。

單相通電滿步驅(qū)動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂

雙相通電滿步驅(qū)動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂

兩相滿步驅(qū)動時的線圈通電順序，一般在產(chǎn)品目錄中，供應(yīng)商用這種表示方法。

單相和雙相通電滿步驅(qū)動概念

（2）半步驅(qū)動（Half-step）

半步驅(qū)動，就是一次只走半個步距。

實現(xiàn)方式是單相和雙相交替通電，原理如下圖。

半步驅(qū)動的好處是提高分辨率，但是缺點(diǎn)是扭矩只有兩相滿步驅(qū)動的70%，當(dāng)然，也可以通過優(yōu)化線圈中電流大小，來提高半步驅(qū)動扭矩。

半步驅(qū)動：單相雙相交替通電

兩相電機(jī)半步驅(qū)動：單相和雙相交替通電

單相和雙相交替通電，實現(xiàn)半步驅(qū)動的概念。單相通電時，線圈產(chǎn)生磁場，磁鐵因為磁場的吸引力，指向通電的線圈。雙相通電時，因為兩個線圈都產(chǎn)生磁場，所以合成磁場讓轉(zhuǎn)子處于中間平衡位置。

（3）微步驅(qū)動（Microstepping）

因為電流大小不同，將會導(dǎo)致線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度不同，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡位置發(fā)生變化，這就是微步驅(qū)動的原理。

微步驅(qū)動原理：A線圈最開始有最大電流，而B線圈此時電流為零，定子指向A線圈。A線圈慢慢減小電流， B線圈慢慢增加電流，因為磁場平衡位置的變化，定子慢步向B線圈轉(zhuǎn)動。宏觀來看，A線圈中電流變化接近Cos曲線，B線圈電流變化接近Sin曲線，直到A線圈電流減為零，而B線圈電流達(dá)到最大值，定子指向B線圈。

微步驅(qū)動電流示意圖：電流每一步的變化的大小，決定了微步運(yùn)動的大小，上圖是1/4，1/8，1/16微步電流變化示意圖（來自Faulhaber）

微步驅(qū)動電流示意圖(來源TI)

微步運(yùn)動舉例：在圖1中，A線圈通滿電流，圖2中A線圈通最大電流的0.92倍，而B線圈通最大電流的0.38倍，實現(xiàn)22.5°旋轉(zhuǎn)。同理，圖3中，A和B線圈同時通最大電流的0.71倍，可以實現(xiàn)45°旋轉(zhuǎn)。

比如，一個200步的步進(jìn)電機(jī)，如果用滿電流驅(qū)動，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的電流驅(qū)動，那么它的步距將會是0.9°。

當(dāng)然還可以繼續(xù)細(xì)分，一般地，步進(jìn)電機(jī)一個步距可以細(xì)分256步。

步數(shù)越多，可以獲得越平滑的運(yùn)動，噪聲也越小，不容易失步（丟步），但是代價就是扭矩大大減小。

所謂失步，就是電機(jī)沒有按照命令走相應(yīng)的步數(shù)，關(guān)于失步，后一小結(jié)中，我們專門來了解。

比如，當(dāng)把一步分成16步時，扭矩僅為保持扭矩的10%左右。

微步驅(qū)動保持扭矩和步數(shù)的關(guān)系（來自Faulhaber）

設(shè)計時需要留夠余量，比如一般會考慮負(fù)載的加減速，運(yùn)動線的拖拽力，還有步進(jìn)電機(jī)本身的制動扭矩（Detent Torque，由于定子和轉(zhuǎn)子之間的磁力，產(chǎn)生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。

當(dāng)微步扭矩超過負(fù)載扭矩和摩擦扭矩及制動扭矩之和時，連續(xù)的微步才會實現(xiàn)。

有時制動扭矩起正作用，比如當(dāng)電動機(jī)停止時，制動轉(zhuǎn)矩可能是有益的，因為它會抵消運(yùn)動中的轉(zhuǎn)子的動量，因此更高的制動轉(zhuǎn)矩，將有助于電動機(jī)更快地停止。

也就是說，在微步模式下，電機(jī)不一定會動，這就會打亂全局精度。

所以，雖然微步可以實現(xiàn)更高的分辨率，但是并不一定能帶來更好的精度。

你可能要問了，既然不一定能提高精度，那么為什么還要有微步驅(qū)動模式呢？

其實，微步驅(qū)動的主要作用在于減小機(jī)械噪聲，減小共振，減小機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的磨損，實現(xiàn)更平滑的運(yùn)動。

有研究表明，只有當(dāng)載荷非常輕，微細(xì)步的扭矩足以驅(qū)動負(fù)載時，才可以提高精度。

實際上，把每整步細(xì)分成無限微步，就是兩相永磁交流電機(jī)的運(yùn)行原理，這個今天就不說了，日后我再開一篇日記來寫吧。

現(xiàn)在，一些生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)微步電機(jī)的努力方向，就是以犧牲保持扭矩為代價，減小制動扭矩，使得扭矩和位置關(guān)系更接近Sin曲線，而扭矩電流曲線更趨向線性。

我感覺這里啰嗦得夠多了。

最后，關(guān)于滿步，半步，微步驅(qū)動，這里有一張小結(jié)圖。

看圖，一下就明白了，還猶豫什么，我保存了。

滿步，半步，微步驅(qū)動示意圖

關(guān)于滿步，半步和微步驅(qū)動，我還準(zhǔn)備了幾個視頻，記錄一下，隨時可以找出來看看。

步進(jìn)電機(jī)單相通電滿步控制

步進(jìn)電機(jī)雙相通電滿步控制

步進(jìn)電機(jī)單相雙相交替通電半步控制

3.步進(jìn)電機(jī)的速度扭矩曲線圖

步進(jìn)電機(jī)理論的扭矩曲線，如下圖。

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保持轉(zhuǎn)矩（Holding torque）：

這是當(dāng)電機(jī)靜止且施加額定電流到繞組時，電動機(jī)將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

拔出轉(zhuǎn)矩曲線（Pull-Out Curve）：

該曲線表示步進(jìn)電動機(jī)在任何給定速度下，可以提供給負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩。

超過該曲線所需的任何轉(zhuǎn)矩或速度，將導(dǎo)致電機(jī)失步，所以電機(jī)必須工作在此曲線下方。

實際上，通常所說的步進(jìn)電機(jī)的扭矩速度曲線，指的就是這條曲線。

扭矩速度曲線是怎么來的呢？

首先將步進(jìn)電機(jī)空載旋轉(zhuǎn)至某一速度，然后通過制動器，緩慢將扭矩逐漸施加到輸出軸上，并使用扭矩傳感器測量扭矩，直到電機(jī)失去同步（停止）的那一刻，記錄此時施加在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩。

如此反復(fù)，在每個速度點(diǎn)，重復(fù)此過程3次，然后，將三個扭矩值的平均值，用作將顯示在速度-扭矩曲線上的值，在多個速度點(diǎn)重復(fù)此過程，即可創(chuàng)建完整的扭矩速度曲線。

吸合轉(zhuǎn)矩曲線（Pull-In Curve）：

此曲線表示，在施加負(fù)載的情況下，電機(jī)在沒有任何加速或減速時，能夠啟動或停止的最大扭矩和速度組合。

簡單理解，這是電機(jī)在施加負(fù)載，而不會失去同步性的情況下，可以瞬時啟動，停止，或者反轉(zhuǎn)的最大速度。

吸合轉(zhuǎn)矩曲線，一般存在于老產(chǎn)品目錄中，因為以前電機(jī)無法通過低共振區(qū)域運(yùn)行，因此需要引入吸合轉(zhuǎn)矩，來避免過大的共振。

但是，隨著微步進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在不再需要以預(yù)定速度啟動和停止，不必?fù)?dān)心輸入脈沖引起失步。

啟停區(qū)域（Start-Stop Region）：

啟停區(qū)域表示電機(jī)可以瞬間啟動，停止和反向，并且不會失步的工作區(qū)域。

回轉(zhuǎn)區(qū)域（Slew Region）：

回轉(zhuǎn)區(qū)域，是拔出轉(zhuǎn)矩和吸合轉(zhuǎn)矩曲線之間的區(qū)域，也是電機(jī)通常運(yùn)行的范圍。

步進(jìn)電機(jī)不能在此區(qū)域瞬間啟動和停止，必須在啟停區(qū)域啟動，加速到吸合轉(zhuǎn)矩曲線以上，或者在回轉(zhuǎn)區(qū)域減速，然后在啟停區(qū)域停止，否則將會失步。

現(xiàn)在，電機(jī)的產(chǎn)品目錄中，實際的扭矩速度曲線，常常如下圖。

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尺寸為85mm的步進(jìn)電機(jī)，在轉(zhuǎn)速為1000r/min時，其扭矩相當(dāng)于400W伺服電機(jī)的額定扭矩(來源于東方電機(jī))

從圖中可以看出，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不平坦，低速/中速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩曲線趨向于變得很高，而在高速范圍內(nèi)則變得極低。

對于短距離定位，低速/中速范圍內(nèi)的高扭矩至關(guān)重要，這也是步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一。

相比之下，伺服電機(jī)中速至高速范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，適用于長行程操作。

在選擇步進(jìn)電機(jī)時，一般要遵循2個原則。

（1）根據(jù)應(yīng)用的最高轉(zhuǎn)矩/速度選擇電機(jī)，也就是根據(jù)最壞情況選擇電機(jī)。

（2）扭矩余量至少保持30％以上。當(dāng)空間允許，而且可變因素較多時，可以選擇更大的余量，比如50%，80%，甚至100%。

4.步進(jìn)電機(jī)失步原因，及常用解決辦法

所謂失步，就是電機(jī)沒有按照命令走相應(yīng)的步數(shù)。

通常過大的運(yùn)行步距，會導(dǎo)致高振蕩，因為過大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又會產(chǎn)生大加速度，進(jìn)而容易產(chǎn)生過沖和鈴響（振蕩）現(xiàn)象。

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過大的步距產(chǎn)生振動（來自Microchip）

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脈沖頻率和自然頻率相等時，發(fā)生振動。

在上面的示例中，過度的振動導(dǎo)致在90度附近，沒有停穩(wěn)，然后電機(jī)響應(yīng)下一個脈沖，離開90度附近，到達(dá)180度。（來自Microchip）

當(dāng)輸入的脈沖頻率，和轉(zhuǎn)子的自然頻率相等時，會發(fā)生共振，并且導(dǎo)致丟步。

通常在100-200pps范圍附近，有一個共振區(qū)域，在高階脈沖速率區(qū)域中，也有一個共振區(qū)域。

步進(jìn)電機(jī)的共振現(xiàn)象，來自其基本結(jié)構(gòu)，因此不可能完全消除。

共振和負(fù)載條件也有關(guān)系，一般可以通過半步或微步模式驅(qū)動電機(jī)，來減小共振，或者選擇高于共振頻率的驅(qū)動頻率來驅(qū)動電機(jī)，以避開共振。

因為構(gòu)造原因，如果步進(jìn)電機(jī)在低速丟步，那么會丟多步，例如8，12，16等4的倍數(shù)，高速丟步時電機(jī)會停止，如果丟步低于4步，那么是電子換向（Commutation）引起的。

失步會丟失精度，在步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用中，應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生。

下面是步進(jìn)電機(jī)在使用過程中，常常遇到的問題，以及解決辦法。

步進(jìn)電機(jī)常見問題及解決辦法（來源于Faulhaber）

5.步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

最后，總結(jié)一下步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。

深夜敲鍵盤，手都僵了。

懶得打字了，貼一張圖吧。

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