在驅(qū)動(dòng)當(dāng)今世界的許多技術(shù)中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在廣泛應(yīng)用。這些相對(duì)簡(jiǎn)單但高效的電機(jī)是許多不同應(yīng)用的絕佳選擇，包括使用機(jī)器人組件的制造應(yīng)用。

然而，步進(jìn)電機(jī)需要能夠提供精確操作控制程度的控制系統(tǒng)，從而產(chǎn)生準(zhǔn)確和精確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工程師設(shè)計(jì)這些控制系統(tǒng)時(shí)，他們需要特別注意控制器的設(shè)計(jì)和用于容納它的電氣外殼。

我們將深入探討步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)。然后，我們將為設(shè)計(jì)和指定電機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)械和電氣工程師討論如何控制步進(jìn)電機(jī)。

什么是步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)是一種常見的直流供電無刷電機(jī)。要了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及我們使用它們的原因，您應(yīng)該首先了解一些有關(guān)電動(dòng)機(jī)工作原理的知識(shí)。

電動(dòng)機(jī)的基本目的是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)使用各種類型的磁體，這些磁體彼此相互作用并導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的物理組件移動(dòng)。組件的運(yùn)動(dòng)使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)軸將機(jī)械能從電機(jī)中轉(zhuǎn)移出來，為系統(tǒng)的其他部分提供動(dòng)力。

有兩種常用的電動(dòng)機(jī)類型：有刷電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)。每個(gè)都使用不同的方法將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能：

• 有刷電機(jī)使用稱為電刷的電觸點(diǎn)，將電流傳輸?shù)嚼p繞有金屬線圈的電樞。兩個(gè)永久定子磁鐵，一正一負(fù)，圍繞著電樞，使通電的電樞旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，其動(dòng)能使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

• 無刷電機(jī)使用多個(gè)定子電磁鐵，這些定子電磁鐵圍繞磁化轉(zhuǎn)子排列成一個(gè)環(huán)。電磁鐵可以按順序激活和停用，以控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)并將其定位在與每個(gè)磁鐵精確對(duì)齊的位置。在這里，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸的動(dòng)能。

您仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)有刷電機(jī)用于各種應(yīng)用，例如家用電器。然而，無刷電機(jī)在許多其他領(lǐng)域已經(jīng)取代了有刷電機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)我們世界的許多數(shù)字技術(shù)。

因此，了解如何控制步進(jìn)電機(jī)以及如何構(gòu)建安全有效地運(yùn)行它們的控制系統(tǒng)非常重要。不過，在我們深入了解它們的工作原理之前，讓我們通過查看步進(jìn)電機(jī)可以提供的優(yōu)勢(shì)以及它們常用的應(yīng)用來更好地了解步進(jìn)電機(jī)的使用方式。

步進(jìn)電機(jī)的基本設(shè)計(jì)示例。依次激活每個(gè)線圈以在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生一致且可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

那么，為什么步進(jìn)電機(jī)通常是機(jī)器人應(yīng)用的有力選擇？以下是步進(jìn)電機(jī)的一些主要優(yōu)勢(shì)，使其非常適合機(jī)器人技術(shù)：

• 極其精確地控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)和定位

• 維護(hù)要求比有刷電機(jī)低得多

• 在額定速度和負(fù)載下高效可靠地運(yùn)行

• 比大多數(shù)有刷電機(jī)的占地面積小得多

• 產(chǎn)生的熱量和電氣噪聲比有刷電機(jī)少得多

單極步進(jìn)電機(jī)一次只為定子線圈環(huán)的一側(cè)供電，價(jià)格也相對(duì)便宜，這使得它們?cè)陔娮訍酆谜吆蛯I(yè)人士中很受歡迎。雙極步進(jìn)電機(jī)也將反向電流傳輸?shù)脚c通電定子線圈相對(duì)的線圈，更復(fù)雜且更昂貴。然而，它們更平穩(wěn)和更精確的操作使它們更適合工業(yè)應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)并不是每個(gè)應(yīng)用的正確選擇。如果您的項(xiàng)目需要電機(jī)以非常高的速度（通常超過 2,000 RPM）連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中的多個(gè)磁極可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)渦流損耗等情況，從而降低電機(jī)的效率。此外，在如此高的速度下轉(zhuǎn)子上的磨損可能會(huì)縮短其使用壽命。

步進(jìn)電機(jī)的機(jī)器人應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)可用于多種應(yīng)用，特別是在機(jī)器人領(lǐng)域。由于步進(jìn)電機(jī)在精確定位和可靠的重復(fù)運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出色，因此它們非常適合需要長(zhǎng)時(shí)間快速、準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的常見機(jī)器人應(yīng)用包括：

• 數(shù)控加工

• 3D 和 2D 打印

• 紡織品制造

• 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備

• 硬盤磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)

這些應(yīng)用中的每一個(gè)都需要對(duì)轉(zhuǎn)子、激光器、打印頭、觸控筆和其他自動(dòng)化機(jī)器人組件進(jìn)行精確控制。步進(jìn)電機(jī)提供工程師在設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)所需的精確控制和可靠性。然而，要讓步進(jìn)電機(jī)在這些應(yīng)用中發(fā)揮其潛力，重要的是要牢牢掌握如何使用各種可用的電壓控制方法來控制步進(jìn)電機(jī)。

從根本上說，控制步進(jìn)電機(jī)的基本方法是以正確的順序?yàn)閲@齒輪的線圈通電和斷電。改變線圈激活的順序和時(shí)間是工程師如何根據(jù)應(yīng)用需求定制步進(jìn)電機(jī)的操作。

電流流向步進(jìn)電機(jī)的變化會(huì)產(chǎn)生極其細(xì)微和精確的定位差異。步進(jìn)電機(jī)的精度取決于它的步數(shù)，即它在整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中占據(jù)的不同位置的數(shù)量。步數(shù)更多的步進(jìn)電機(jī)將更能產(chǎn)生更精確的定位差異。步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到的精度水平稱為電機(jī)分辨率。

步進(jìn)電機(jī)控制的主要方式有：

• Wave Drive/Single Phase: 一個(gè)線圈依次激活。這是步進(jìn)電機(jī)最基本的操作模式，產(chǎn)生的分辨率最低。

• 全步：兩個(gè)線圈依次同時(shí)啟動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的極位置實(shí)際上在每個(gè)線圈之間。此模式對(duì)于提高電機(jī)的扭矩和速度很有用，但它不會(huì)提高電機(jī)的分辨率，因?yàn)樗匀痪哂邢嗤牟綌?shù)。

• 半步：激活一個(gè)線圈，然后在下一步同時(shí)激活兩個(gè)線圈。因此，轉(zhuǎn)子一次移動(dòng)半步，從一個(gè)線圈有效時(shí)的直接對(duì)齊位置到兩個(gè)線圈有效時(shí)的分裂對(duì)齊。這種模式實(shí)際上為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)增加了額外的步數(shù)，因此它大大提高了分辨率。

• 微步：使用一系列正弦波脈沖激活線圈，這些脈沖以極小的步長(zhǎng)移動(dòng)轉(zhuǎn)子。由于能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子的完整步驟循環(huán)細(xì)分為多達(dá) 256 個(gè)步驟，因此該方法產(chǎn)生了此處列出的任何方法中的最高分辨率。微步進(jìn)還可以非常平穩(wěn)和一致地移動(dòng)轉(zhuǎn)子，這有助于減少電機(jī)部件的振動(dòng)、噪音和磨損。由于這些優(yōu)點(diǎn)，微步進(jìn)是當(dāng)今應(yīng)用中步進(jìn)電機(jī)最常見的激活模式。

還可以通過增加線圈和極數(shù)來提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率。專業(yè)工程師使用的大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)都有大量的線圈，在微步之前提供大約 200 步?？傊?，這些選項(xiàng)為使用步進(jìn)電機(jī)的工程師提供了許多不同的選項(xiàng)，以提高電機(jī)分辨率的精度。

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都通過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)電路將電流傳輸?shù)骄€圈以激活它們。由于控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)制始于電機(jī)控制器，因此根據(jù)最佳實(shí)踐仔細(xì)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制至關(guān)重要。在接下來的部分中，我們將快速了解在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路時(shí)需要了解的基礎(chǔ)知識(shí)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的基礎(chǔ)知識(shí)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電路通常連接到微控制器，該微控制器為電機(jī)操作員提供對(duì)發(fā)送到線圈的電壓脈沖的控制。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路有許多不同的選項(xiàng)，包括一些設(shè)計(jì)用于開箱即用的步進(jìn)控制器型號(hào)。其他人則使用像 Arduino Uno 這樣的可編程微控制器，可以使用其開源步進(jìn)控制庫(kù)對(duì)其進(jìn)行編程。

選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，從四個(gè)基本因素入手：

1. 電壓：驅(qū)動(dòng)器的額定電壓等級(jí)應(yīng)多種多樣，因?yàn)槟赡苄枰獪y(cè)試不同的電壓才能為您的步進(jìn)電機(jī)找到最佳選擇。

2. 電流：驅(qū)動(dòng)器的額定電流至少應(yīng)為步進(jìn)電機(jī)額定最大電流的 1.4 倍。

3. 微步進(jìn)：驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該有多個(gè)步進(jìn)分辨率選項(xiàng)，以便您可以嘗試不同的微步進(jìn)設(shè)置。

4. 最大步進(jìn)脈沖：驅(qū)動(dòng)器的額定步進(jìn)脈沖數(shù)量應(yīng)足以使轉(zhuǎn)子以您的應(yīng)用所需的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的其他因素

盡管步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但指定正確的步進(jìn)電機(jī)和設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)可能是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。我們剛剛討論的四個(gè)因素可能會(huì)受到許多其他值得考慮的因素的影響。

在設(shè)計(jì)包含步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮以下因素：

• 當(dāng)您的應(yīng)用需要特定的轉(zhuǎn)速和扭矩時(shí)，即使考慮了上述條件，匹配正確的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器也可能具有挑戰(zhàn)性。通常，匹配電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的最準(zhǔn)確方法是使用具有適當(dāng)速度-轉(zhuǎn)矩曲線的工程軟件。從具有所需電壓和電流特性的驅(qū)動(dòng)器開始，然后使用您的速度-轉(zhuǎn)矩曲線將其與電機(jī)匹配。

• 扭矩不匹配是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)常見問題，可能導(dǎo)致失速（由于扭矩不足）或振動(dòng)和噪音（由于扭矩過大）。要獲得正確的扭矩量，首先要計(jì)算電機(jī)需要執(zhí)行的所需任務(wù)的負(fù)載扭矩。一旦您確定了所需的負(fù)載扭矩，請(qǐng)使用負(fù)載和電機(jī)扭矩匹配技術(shù)來確保您的電機(jī)扭矩處于最佳狀態(tài)。

• 請(qǐng)記住，步進(jìn)電機(jī)需要全電流才能產(chǎn)生保持扭矩，這意味著步進(jìn)電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間保持在適當(dāng)位置時(shí)會(huì)變得非常熱。確保在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)考慮到這一點(diǎn)。

• 雙極步進(jìn)電機(jī)需要比單極步進(jìn)電機(jī)稍微復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樗鼈冃枰瑫r(shí)將負(fù)電流傳輸?shù)较喾吹木€圈。如果您使用的是雙極步進(jìn)電機(jī)，請(qǐng)確保您的驅(qū)動(dòng)單元能夠控制雙極電機(jī)。

• 步進(jìn)電機(jī)的控制單元應(yīng)受到電氣外殼的保護(hù)，以使其免受環(huán)境危害。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，其接線盒接線可能會(huì)被灰塵和碎屑弄臟或被濺水損壞（以及許多其他可能的危險(xiǎn)）。