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在機械設(shè)計中,，我們經(jīng)常用到步進電機,。
比如，用步進電機驅(qū)動同步帶軸,，實現(xiàn)直線運動,。
再比如，用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠軸,，也可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動,。
因為不需要反饋系統(tǒng)，所以步進電機的最大優(yōu)點是,，低成本下可以獲得不錯的精度,。
其實，除了機器中的運動平臺,，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進電機的存在,。
比如打印機，掃描儀,，相機,，ATM機，3D打印機等等,。
步進電機的應用（不包括圖中機器人）
那么,，步進電機的原理是什么？
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)運動,。
你可能會說,，所有電機都是這個原理，哈，沒錯,，那么關(guān)于具體細節(jié),，我們后面慢慢用圖來說。
其實此前,，我對步進電機的原理了解得也不是很多,，不過最近好像對各類電機有點上癮，所以特地多了解了一些,，畢竟,，我們時時刻刻都會和電機打交道。
但是因為我不是做電機的,，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,，補充,。
今天的主要內(nèi)容包括：步進電機的種類，構(gòu)造,，原理,，滿步半步微步控制方法，步進電機的速度扭矩特性,，以及步進電機的優(yōu)缺點等,。
1.步進電機的類型
和其他類型的電機一樣，步進電機也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,。
在步進電機中,，定子主要負責產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子負責跟隨磁場,。
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相步進電機是最常使用的,，而3相,，5相不常用。
左圖是2相步進電機,，右圖是3相步進電機定子示意圖
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A+和A-通電時，定子產(chǎn)生的磁場,。
因為步進電機的構(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電機的構(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),。
永磁式轉(zhuǎn)子步進電機
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）
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,，電機才能動起來,。
在電機生產(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）可變磁阻式步進電機（Variable Reluctance＝VR）
可變磁阻式步進電機結(jié)構(gòu)
這種電機,，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。
因為沒有永磁鐵,，所以可以在有外強磁場的環(huán)境中,，使用這種電機。
（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。
這種電機的典型結(jié)構(gòu)如下圖,。
永磁和可變磁阻混合型步進電機（來自Microchips）
混合型步進電機的運動原理
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，使得混合型步進電機既有永磁式的優(yōu)點,，又有可變磁阻式的優(yōu)點,，特別是擁有高分辨率，高速,，高扭矩,。
混合型步進電機，通常每圈有200步,，也就是步距為360/200=1.8°,，這種類型的電機受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm,。
當然,，好特性需要更復雜的結(jié)構(gòu)和控制,，所以價格也更貴。
（4）單極步進電機和雙極步進電機
按照接線方式的不同,，步進電機又可以分為單極步進電機（Unipolar Stepper Motor）,，和雙極步進電機（Bipolar Stepper Motor）。
單極和雙極步進電機的引線方法
單極和雙極步進電機的引線方法
單極步進電機驅(qū)動電路
在單極步進電機中,，一根引線連接到線圈的中心點,，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體開關(guān)，但缺點是一次僅使用電機線圈的一半,，這意味著,，如果在線圈中流過相同的電流，磁場強度將會減半,，另外,，由于必須連接更多的引線，所以這種電機更難以構(gòu)造,。
雙極步進電機驅(qū)動電路
在雙極步進電機中,，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，缺點是需要更復雜的驅(qū)動電路,，但優(yōu)點是可以實現(xiàn)電機最大扭矩,。和單極步進電機相比,，可以提高40%的扭矩，也就是單極步進電機的√2倍,。
2.步進電機的滿步,，半步,，及微步驅(qū)動
步進電機有三種驅(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,，以永磁式步進電機為例來說明,，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，但是缺點是扭矩只有兩相滿步驅(qū)動的70%,，當然,，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,，將會導致線圈產(chǎn)生的磁場強度不同,，從而導致轉(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步的步進電機,，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°,。
當然還可以繼續(xù)細分，一般地,，步進電機一個步距可以細分256步,。
步數(shù)越多，可以獲得越平滑的運動,，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,，就是電機沒有按照命令走相應的步數(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,，比如一般會考慮負載的加減速，運動線的拖拽力,，還有步進電機本身的制動扭矩（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。
當微步扭矩超過負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，比如當電動機停止時,，制動轉(zhuǎn)矩可能是有益的,，因為它會抵消運動中的轉(zhuǎn)子的動量，因此更高的制動轉(zhuǎn)矩,，將有助于電動機更快地停止,。
也就是說，在微步模式下,，電機不一定會動,，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械噪聲,，減小共振,，減小機械傳動結(jié)構(gòu)的磨損，實現(xiàn)更平滑的運動,。
有研究表明,，只有當載荷非常輕，微細步的扭矩足以驅(qū)動負載時,，才可以提高精度,。
實際上，把每整步細分成無限微步,，就是兩相永磁交流電機的運行原理,，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，我還準備了幾個視頻,，記錄一下,，隨時可以找出來看看。
步進電機單相通電滿步控制
步進電機雙相通電滿步控制
步進電機單相雙相交替通電半步控制
3.步進電機的速度扭矩曲線圖
步進電機理論的扭矩曲線,，如下圖,。
保持轉(zhuǎn)矩（Holding torque）：
這是當電機靜止且施加額定電流到繞組時，電動機將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,。
拔出轉(zhuǎn)矩曲線（Pull-Out Curve）：
該曲線表示步進電動機在任何給定速度下,，可以提供給負載的最大轉(zhuǎn)矩。
超過該曲線所需的任何轉(zhuǎn)矩或速度,，將導致電機失步,，所以電機必須工作在此曲線下方。
實際上,，通常所說的步進電機的扭矩速度曲線,，指的就是這條曲線。
扭矩速度曲線是怎么來的呢,？
首先將步進電機空載旋轉(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，直到電機失去同步（停止）的那一刻,，記錄此時施加在電機軸上的轉(zhuǎn)矩,。
如此反復，在每個速度點,，重復此過程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,，在多個速度點重復此過程，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,，在施加負載的情況下，電機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，這是電機在施加負載,，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，因為以前電機無法通過低共振區(qū)域運行,，因此需要引入吸合轉(zhuǎn)矩,，來避免過大的共振。
但是,，隨著微步進技術(shù)的發(fā)展,，現(xiàn)在不再需要以預定速度啟動和停止，不必擔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，也是電機通常運行的范圍,。
步進電機不能在此區(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,，電機的產(chǎn)品目錄中，實際的扭矩速度曲線,，常常如下圖,。
尺寸為85mm的步進電機，在轉(zhuǎn)速為1000r/min時,，其扭矩相當于400W伺服電機的額定扭矩(來源于東方電機)
從圖中可以看出,，步進電動機的轉(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,，這也是步進電機的優(yōu)點之一,。
相比之下，伺服電機中速至高速范圍內(nèi),，可以產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩,，適用于長行程操作,。
在選擇步進電機時，一般要遵循2個原則,。
（1）根據(jù)應用的最高轉(zhuǎn)矩/速度選擇電機,，也就是根據(jù)最壞情況選擇電機。
（2）扭矩余量至少保持30％以上,。當空間允許,，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.步進電機失步原因,，及常用解決辦法
所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數(shù),。
通常過大的運行步距,，會導致高振蕩，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，進而容易產(chǎn)生過沖和鈴響（振蕩）現(xiàn)象,。
過大的步距產(chǎn)生振動（來自Microchip）
脈沖頻率和自然頻率相等時,，發(fā)生振動。
在上面的示例中,，過度的振動導致在90度附近,，沒有停穩(wěn)，然后電機響應下一個脈沖,，離開90度附近，到達180度,。（來自Microchip）
當輸入的脈沖頻率,，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。
步進電機的共振現(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,，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，以避開共振,。
因為構(gòu)造原因,，如果步進電機在低速丟步，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,，在步進電機的應用中，應該避免這種情況的發(fā)生,。
下面是步進電機在使用過程中,，常常遇到的問題，以及解決辦法,。
步進電機常見問題及解決辦法（來源于Faulhaber）
5.步進電機的優(yōu)缺點
最后,，總結(jié)一下步進電機的優(yōu)缺點。
深夜敲鍵盤,，手都僵了,。
懶得打字了，貼一張圖吧,。
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