广告

为什么步进电机的微步没有想象的那么好?

2022-07-12 17:39:48 Pete Millett,技术营销工程师,MPS公司 阅读:
在使用步进电机设计运动控制系统时,不能假设电机的额定保持转矩在微步时仍然适用,因为增量转矩会大大降低。这可能会导致意外的定位误差。在某些情况下,增加微步分辨率并不能提高系统精度。

步进电机通常用于定位,因为其性价比高、易于驱动,而且可以在开环系统中使用——也就是说,这种电机不需要像伺服电机那样提供位置反馈。步进电机可用于激光雕刻机等小型工业机器、3D打印机,以及激光打印机等办公设备。qhiednc

步进电机有多种方案。对于工业应用,每转200步的两相混合式步进电机非常常见。对于这种电机,“混合”是指其使用永磁体和带齿铁转子(例如可变磁阻电机)的方式;“200步”则是指电机在每步之间移动1.8°。这些步长是转子和定子上齿数的函数。qhiednc

本文将重点介绍两相混合式步进电机,因为其最为常见。图1显示了典型的2相混合电机。qhiednc

qhiednc

图1:典型2相混合式步进电机的外观。qhiednc

微步的工作原理

步进电机移动不到整步是可能的。这个过程称为微步进,它是通过调制通过绕组的电流来完成的,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尺寸,因为步长仅受驱动绕组电流的数模转换器(DAC)和放大器的分辨率限制。1/256甚至1/1024的分辨率并不少见。qhiednc

实际上,对于大多数机械系统来说,这种精细的微步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。qhiednc

微步进中的角度误差有几个来源。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。qhiednc

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

步进电机转矩

步进电机具有额定保持转矩。保持转矩是将电机从整步位置拉开所需的转矩,也是电机移动一整步时可以产生的转矩。在每一个整步之后,小齿会与最小的磁路对齐,从而产生强大的转矩。qhiednc

微步时,由于转子保持在整步位置之间,磁路较长,因此保持转矩降低。这个增量保持转矩可以用公式(1)来计算:qhiednc

增量保持转矩=(整步保持转矩)·sin(90°/X)        (1)qhiednc

其中X是微步数。qhiednc

例如,对于1/8步,增量转矩约为全步转矩的20%。对于1/32步,增量转矩仅为整步转矩的5%。qhiednc

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,电机上的转矩负载必须是电机额定保持转矩的一小部分。qhiednc

实验室测量

为了测试微步进时的位置精度,我们进行了几个实验。实验室装置使用了一个第一表面镜(安装在步进电机轴上)和一个激光器。光束从镜子反射到实验室的另一端,距离约为9m。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。qhiednc

实验所用电机是典型的混合电机,其常用于3D打印机等产品。这款电机是一个1.8°双极电机,额定电流为2.8A,保持转矩为1.26Nm。qhiednc

第一个实验单独测量了电机的精度。它使用精确的直流电流源来驱动两个相,电机轴上没有转矩负载。相反,只有镜子在轴上(图2)。qhiednc

qhiednc

图2:镜子放置在步进电机轴上。qhiednc

这种装置的结果显示出小的非线性,但总的来说,角度精度很好——大约为±0.03°,并且运动是单调的(图3)。也就是说,电机永远不会朝错误的方向移动或无法移动。这些误差表示了电机本身的固有误差以及测量误差。请注意,1/32步对应于0.056°。qhiednc

qhiednc

图3:1/32步的空载精度可确保单调运动。qhiednc

接下来将电机连接到一个磁粉制动器,用于向电机施加摩擦转矩负载(4)。qhiednc

qhiednc

图4:制动装置向电机施加摩擦转矩负载。qhiednc

然后用直流电流源重复了相同的测量,将大约0.1Nm的转矩施加到电机轴上。图5显示这些结果显著不同,因为每隔一步都没有运动。qhiednc

qhiednc

图5:增加转矩情况下的1/32步,显示出明显不同的结果。qhiednc

此行为与该电机计算所得增量转矩一致。1/32微步的增量转矩约为保持转矩的5%。在这种情况下,在保持转矩为1.26Nm时,一个微步产生的预期转矩约为0.06Nm。然而,这还不足以克服摩擦负载,因此在转矩足够高到可以克服负载之前需要两个微步。qhiednc

如果将转矩增加到0.9Nm(大约是失速转矩的70%),则需要更多微步才能将转矩提高到使电机发生移动(图6)。qhiednc

qhiednc

图6:0.9Nm转矩情况下的1/32步,需要更多微步才能使电机移动。qhiednc

我们使用MPS的MP6500步进电机驱动器IC进行了两个类似的实验。MP6500驱动器IC使用精确的PWM电流调节,可以从整步到1/8步运行。图7显示了MP6500的框图。qhiednc

qhiednc

图7:MP6500步进电机驱动器采用基于PWM的电流调节。qhiednc

为了测试使用传统步进电机驱动器IC与使用直流电流源时的精度是否不同,第一个测试是在0.1Nm转矩和1/8步模式下进行的。1/8步产生的转矩约为整步的20%,即0.25Nm,比所加的0.1Nm转矩大。图8所示的结果表明实际角度对理想角度实现了跟踪。qhiednc

qhiednc

图8:在第一次测试中,MP6500步进电机驱动器IC使用了1/8步,转矩为0.1Nm。qhiednc

我们对第二个测试施加了0.4Nm的转矩。这超过了1/8步的增量保持转矩(0.25Nm)。正如预期的那样,微步有跳步现象(图9)。qhiednc

qhiednc

图9:在第二次测试中,MP6500使用了1/8步,转矩为0.4Nm。qhiednc

机械方面的考虑

为了在微步进时获得所需的精度,设计人员必须密切关注机械系统。qhiednc

有几种方法可以利用步进电机产生线性运动。第一种方法是使用皮带和皮带轮将电机连接到移动部件。在这种情况下,旋转被转换为线性运动。移动的距离是电机运动角度和皮带轮直径的函数。qhiednc

第二种方法是使用丝杠或滚珠丝杠。将步进电机直接连接到丝杠的末端,因此当丝杠旋转时,螺母就会以线性方式行进。qhiednc

在这两种情况下,是否存在因单个微步产生的实际线性运动,取决于摩擦转矩。这意味着为了获得最佳精度,必须将摩擦转矩降至最低。qhiednc

例如,许多丝杠和滚珠丝杠螺母具有一定的预紧力可调性。预紧力是一种用于防止背隙的力,后者会在系统中引起一些间隙。然而,增加预紧力可减少背隙,但也会增加摩擦力。因此,在背隙和摩擦力之间存在权衡。qhiednc

微步时要小心

在使用步进电机设计运动控制系统时,不能假设电机的额定保持转矩在微步时仍然适用,因为增量转矩会大大降低。这可能会导致意外的定位误差,上文所示的测试结果证明了这一点。在某些情况下,增加微步分辨率并不能提高系统精度。qhiednc

为了克服这些限制,建议尽量减少电机上的转矩负载,或使用具有更高额定保持转矩的电机。通常,最好的解决方案是将机械系统设计为使用更大的步进增量,而不是依赖精细的微步进。步进电机驱动器可以使用1/8步来提供与传统的、更昂贵的微步进驱动器相同的机械性能。qhiednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Why microstepping in stepper motors isn’t as good as you think,由Franklin Zhao编译。)qhiednc

本文为《电子技术设计》2022年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里qhiednc

责编:Franklin
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 如何实现最精确的授时和同步? 在为关键基础设施制定PNT解决方案时,运营商必须做出两个最关键的决策:1) 是否应在架构的每一层上部署弹性、冗余和安全性?2) 应采用哪种安全策略?
  • 如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑 对于需要生成负电压轨的应用,可以考虑多种拓扑结构,如“生成负电压的艺术”一文所述。但是,如果输入和/或输出端的绝对电压超过24V,并且所需的输出电流可以达到几安,则充电泵和LDO负压稳压器将会因其低电流能力被弃用,而其电磁组件的尺寸,会导致反激式和Ćuk转换器解决方案变得相当复杂。因此,在这种条件下,反相降压-升压拓扑能在高效率和小尺寸之间达成较好的折衷效果。
  • 西工大打破吉尼斯世界纪录,扑翼式无人机单次充电飞行15 据西北工业大学官宣其扑翼式无人机单次充电飞行时间获得新的吉尼斯世界纪录,认定的纪录时间为 2 小时 34 分 38 秒 62(突破 154 分钟)。本次刷新世界纪录的“云鸮”扑翼式无人机采用了高升力大推力柔性扑动翼设计、高效仿生驱动系统设计和微型飞控导航一体化集成等关键技术,翼展 1.82m,空载起飞重量为 1kg,手抛起飞,滑翔降落,能够按设定航线自主飞行,飞行过程中能实时变更航线。
  • 电化学腐蚀制备新技术发表,“一步到位”制作电池电极 据了解,天津大学“英才计划”特聘研究员吉科猛团队联合湖南大学谭勇文教授团队利用钴磷合金研发出了仅用一步即可制成电池电极的电化学腐蚀制备技术,该相关研究成果将于近日发表在国际期刊《先进材料》上。
  • 金升阳汽车电子一站式电源解决方案 金升阳汽车电子一站式电源解决方案
  • 满足车规级、医规级的芯片级DC/DC电源——B0505ST16-W 金升阳推出芯片级隔离电源产品B0505ST16-W5,为高端芯片应用助力。金升阳芯片级电源B0505ST16-W5采用新一代自主研发技术,电路技术和电气性能都有质的提高,在汽车电子等领域,朝着小型化、功能集成化的方向迈进。
  • 实现测试测量突破性创新,采用ASIC还是FPGA? 作为世界创新的幕后英雄,特别是在电子器件和通信技术方面,工程师们要开发测试设备,验证这些新技术,以把新技术推向市场。这些工程师必须运行尖端技术,处理预测行业和创新未来的挑战。在开创未来的过程中,测试测量工程师面临的基础性创新挑战之一,是确定设计中采用专用集成电路(ASIC)还是现场可编程门阵列(FPGA)。
  • 大联大品佳集团推出基于Infineon iMotion产品的冰箱 大联大控股宣布,其旗下品佳推出基于英飞凌(Infineon)IMC101T的冰箱压缩机方案。
  • 低功耗“刚需”加速物联网应用落地,用独特MCU设计的省 低功耗MCU涉及的关键技术和设计挑战非常多,从如何定义系统架构、构建平台和MCU生态系统到数字电路设计,从工艺的选择到模拟电路设计,从可靠性设计到低功耗设计,从应用创新到满足客户各种需求等,每方面都对设计公司提出很高要求……
  • 无线充解决方案 SCT6324X系列是一款高度集成的电源管理IC,能够实现符合WPC规范的无线电源发射器系统的高性能、高效率和成本效益,以支持高达20W的功率传输,适用特定于无线应用程序的控制器或基于通用MCU的发射器控制器。
  • 谈谈智能舱座应用 智能舱座的出现体现了人们对于智能汽车的向往,注重车内感知系统和交互模式,那么随着车内感知系统和交互模式的升级,对车规级芯片的需求与要求日益增长。
  • 芯海科技聚焦汽车电子未来发展,着力打造全场景应用产品 芯海科技聚焦汽车电子未来发展,着力打造全场景应用产品生态
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了