贝博体育艾弗森代言:了解运动控制中的微步进

　　步进电机对需要平稳运动和高分辨率定位的精密应用至关重要。为满足应用需求，必须进一步探索全步进、半步进和微步进控制之间的差异。本文将概述微步进技术的基础知识。

　　步进电机准确度高且控制方案相对简单，因此大范围的应用于工业、医疗和三轴定位系统应用，例如3D打印机和计算机数控(CNC)机器。虽然交流电机和无刷直流电机都能实现高准确度，但步进电机除了具有高准确度优势外，还能在开环控制模式下运行，并能在低速时提供高扭矩输出。此外，相较于伺服电机，步进电机通常更具性价比且更简单。与有刷直流电机不同，步进电机能够在高扭矩下保持位置稳定。

　　微步进让电机以较小的增量移动，因此电机每转的离散定位点数量明显地增加，电机噪声和振动相应地降低，是很实用的步进电机控制方式。

　　步进电机，常常又称为步进器，由磁转子和定子线圈组成。混合式两相步进电机的转子有两个磁杯，每个磁杯通常有50个齿，如图1所示。这些磁体的磁性相反，且位置相互错开。定子由两组线圈组成，这些线圈围绕中心转子分布在多个位置。按顺序给每相通电，电机就会旋转。

　　步进电机通过将一整圈旋转分割成等距的步进来实现离散运动。例如，若一台步进电机每转拥有200个离散位置，则其步进角为1.8°。步进角等于360°除以全步进数。

　　如图2所示，当电流通过电机线圈时，会产生一个磁场；该磁场会吸引或排斥永磁转子，从而驱动转子旋转，直至与磁场对齐。为了保持电机持续旋转，每个线圈必须交替通电，以确保磁场始终领先于转子位置。

　　为了更好地理解步进电机的步进行为，以一个简化的两相步进电机模型为例，该模型有一个磁极对，如图3所示。

　　在全步进模式下，驱动器使用正电流或负电流为两个线圈通电。两相同时通电，以实现最大扭矩。切换线圈中电流的方向，会导致线圈绕轴旋转。切换模式（也称为换相）通常遵循图4所示的周期序列。

　　全步进可以在一定程度上完成精确的步进、速度控制和高保持扭矩。此外，当电机高速运行时，全步进可以大幅度地提高电机的扭矩输出。

　　然而，全步进可能会引起振动过大并产生较大噪声，如图5所示。这种振动和噪声主要归因于电机位置的大幅跳变，这使得电机在到达目标位置时容易过冲，从而在特定速度下引发高共振现象并降低输出扭矩。

　　拥有单个磁极对的简化电机采用全步进换相时，每转能轻松实现4个离散位置。若将这一概念扩展到拥有50个磁极对的电机，那么每转就能实现200个全步进。

　　减小步长能改善位置过冲、振动和噪声问题。如图6所示，通过采用其他电流状态能减小步长。半步进模式将每个磁极对的转子位置数增加到8个，从而使位置分辨率加倍。电机驱动器通过单相和双相励磁的交替，实现半步进行为。

　　半步进模式不仅提高了位置分辨率，还减少了振动。低速时旋转扭矩略有增加，但在新的半步进位置，电机的保持扭矩会减小。这通常被称为“增量扭矩”。

　　尽管半步进模式带来了诸多改进，但仍存在一些问题。电机仍会发生较大的位置跳变，这在某种程度上预示着电机的旋转并非完全平稳。此问题在低速时尤其明显，这也是我们应该微步进的重要原因。

　　微步进是一种控制步进电机的方法，能够让电机旋转到全步进之间的多个中间位置。它通常用于实现更高的位置分辨率和更平稳的低速旋转。微步进通过将每个全步进分成多个等距的微步进来实现，如图7所示。提高微步分辨率能减小步进距离，以此来降低位置过冲和振铃，进而改善振动和噪声。

　　微步进的实现依赖于向电机提供正弦波形，如图8所示。电机驱动器利用电流调节将这些正弦波精确传送到每个电机线圈。然而，这无法产生完美的正弦波。正弦波的质量，以及基于此的微步进质量，受限于步进驱动器的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的分辨率。。

　　尽管微步进技术具有诸多优势，但也面临两个关键挑战：位置准确度和增量扭矩。

　　位置准确度是指电机的实际位置与目标位置之间的误差。微步进虽然可以通过增加离散位置数量提高位置分辨率，但并不能提高位置准确度。电机的准确度仍然取决于结构公差、电机负载以及驱动器向电机线圈准确提供所需电流水平的能力。无论是全步进还是微步进，这些限制因素都会影响电机的准确度。

　　增量扭矩是指当电机处于静止状态时，使其离开当前位置所需的扭矩量。使用全步进时，磁转子与电机线圈精准对齐，产生最大保持扭矩，此扭矩等于电机的额定保持扭矩。然而，当使用微步进时，增量扭矩会依据电机所处的微步进位置而相应地减小。

　　可以通过几个例子来仔细说明这一定义。假设一个电机使用256个微步进，停止在一个半步进位置。

　　SDR就是该最简分数的分母；因此，SDR为2。增量扭矩减小至电机保持扭矩的70.709%。

　　需要注意的是，虽然增量扭矩会降低电机在微步进位置的保持扭矩，但旋转扭矩基本不受影响。当电机旋转时，增量扭矩减小的影响不会反映出来。在实际应用中，若需要高保持扭矩，用户应尽量将电机停在全步进或半步进位置。

　　许多使用步进电机的应用都可以从微步进技术获益。例如，在3D打印中，要实现高质量的打印效果，必须确保高位置分辨率并将振动降至最低。医疗成像和手术机器人需要安静的操作和精准的定位，进而能保证患者感到舒适和安全。微步进技术能满足这些要求。

　　此外，由于微步进的步长较小，位置过冲也显著减小。这带来了许多优点，包括振动更小、效率更加高、运动更平稳。机械振动会消耗能量，还会给某些应用中（如数控铣床）造成额外的磨损并影响可靠性。通过减少机械振动和噪声，微步进技术还能减少与操作电机控制管理系统相关的成本和能源浪费。

　　目前，其应用场景范围较广泛，涵盖了医疗研究设备、阀门控制、气泵、闭路电视、机器人和工厂自动化等领域。

　　微步进在各种步进电机应用中都展现出诸多优势。结合微步进技术与如ADI的Trinamic解决方案，可以有效满足高效率、精准定位和极低噪声应用的要求。