步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)一樣,都是廣泛應(yīng)用在日常生活中的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或者線位移的執(zhí)行器。通俗一點(diǎn)講,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)播一個(gè)固定的角度,也被稱為脈沖電機(jī)。
HB步進(jìn)電機(jī)與PM步進(jìn)電機(jī)
可以把步進(jìn)電機(jī)分為PM永磁式步進(jìn)電機(jī)、VR反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以及HB混合式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)很大轉(zhuǎn)矩的輸出但是噪聲和振動(dòng)很大,沒辦法滿足現(xiàn)在的市場(chǎng)需求,已經(jīng)不太常見,常見的還是以HB混合式和PM永磁式為主。
PM永磁式步進(jìn)電機(jī)通過使用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,一般是兩相配置,也有多相數(shù)類型,這一類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是出力大,在動(dòng)態(tài)性能上表現(xiàn)很出色,但是步距角偏大,不夠精細(xì)。
HB混合式步進(jìn)電機(jī)是融合了永磁式以及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)二者優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)物,現(xiàn)在很多高性能步進(jìn)電機(jī)會(huì)走這條技術(shù)路線。HB混合式步進(jìn)電機(jī)在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),動(dòng)態(tài)性能好且步距角也較小。
混合式步進(jìn)電機(jī)有兩相、三相和五相之分,相數(shù)越多步進(jìn)角越小,精度越高。兩相的步進(jìn)角是1.8°,五相的步進(jìn)角是0.72°。當(dāng)然,隨著步距角的減小,轉(zhuǎn)矩會(huì)稍稍降低,在小型化大轉(zhuǎn)矩上同時(shí)實(shí)現(xiàn)有難度,不過這不妨礙它廣泛的應(yīng)用。
尤其是混合式步進(jìn)電機(jī)使用VR型電機(jī)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精細(xì)的步距角,并且可以通過與永磁體相結(jié)合來增加轉(zhuǎn)矩,這種步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)在在眾多應(yīng)用中都備受青睞。高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角誤差小,而且誤差也不會(huì)在步間累積,在定位精度和運(yùn)動(dòng)可重復(fù)性上很有優(yōu)勢(shì)。
微步驅(qū)動(dòng)與高精度驅(qū)控
步距角,是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也圍繞著更好更精細(xì)的步距角控制在不斷發(fā)展。
為什么如此執(zhí)著與步距角呢?因?yàn)椴骄嘟堑拇笮?huì)直接影響到電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和控制的精度。簡(jiǎn)而言之,大步距角是犧牲精度來獲得更大的輸出扭矩,較小的步距角才能實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的控制和更高的精度。
步進(jìn)電機(jī)每一步都存在阻尼振動(dòng),在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)阻尼振動(dòng)會(huì)引起振動(dòng)和噪聲,通過減小步距角可以減少阻尼振動(dòng),也就是通過微步驅(qū)動(dòng)可以降低低速范圍的振動(dòng)和噪聲。
將整步驅(qū)動(dòng)的單向驅(qū)動(dòng)和雙向驅(qū)動(dòng)交替地結(jié)合在一起,就產(chǎn)生了半步控制,這樣一個(gè)電周期內(nèi)的電氣角位置比整步驅(qū)動(dòng)多了一倍,同樣數(shù)量的脈沖信號(hào)下大大提高了控制精度。進(jìn)而,不斷分割兩相驅(qū)動(dòng)電流,得到更小的步進(jìn)增量,就是現(xiàn)在流行的微步驅(qū)動(dòng)。
這個(gè)過程通過PWM調(diào)制繞組電流來完成,將轉(zhuǎn)子定位在整步之間。發(fā)展到現(xiàn)在,電機(jī)驅(qū)動(dòng)幾乎可以為微步指定任何尺寸,步長(zhǎng)僅受驅(qū)動(dòng)繞組電流的DAC和放大器的分辨率限制,1/256甚至1/1024的分辨率現(xiàn)在都已經(jīng)不少見了。
現(xiàn)在為了更高精度的步進(jìn)電機(jī)控制,一體化的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)也不少。反饋機(jī)制的引入將原本典型的開環(huán)步在控制精度上大幅提升。在成本低于伺服電機(jī)的情況下,閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的精度又遠(yuǎn)高于開環(huán)步進(jìn)電機(jī),主打性價(jià)比。
小結(jié)
步進(jìn)電機(jī)在消費(fèi)電子、家電、汽車領(lǐng)域都有著不少關(guān)鍵應(yīng)用,如ODD、打印機(jī)、相機(jī)、攝像頭等應(yīng)用。在現(xiàn)在的應(yīng)用中,采用高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方法對(duì)電機(jī)而言非常重要,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制也在不斷優(yōu)化。