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如何控制步进电机更准确的在设备运行?


在驱动当今世界的许多技术中,您会发现步进电机在广泛应用。这些相对简单但高效的电机是许多不同应用的绝佳选择,包括使用机器人组件的制造应用。

然而,步进电机需要能够提供精确操作控制程度的控制系统,从而产生准确和精确的机器人运动。当工程师设计这些控制系统时,他们需要特别注意控制器的设计和用于容纳它的电气外壳。

我们将深入探讨步进电机及其应用的基础知识。然后,我们将为设计和指定电机控制系统的机械和电气工程师讨论如何控制步进电机。

什么是步进电机?

步进电机是一种常见的直流供电无刷电机。要了解步进电机的工作原理以及我们使用它们的原因,您应该首先了解一些有关电动机工作原理的知识。

电动机的基本目的是将电能转换为机械能。为了实现这一点,电动机使用各种类型的磁体,这些磁体彼此相互作用并导致电动机的物理组件移动。组件的运动使电机轴转动,电机轴将机械能从电机中转移出来,为系统的其他部分提供动力。

有两种常用的电动机类型:有刷电动机和无刷电动机。每个都使用不同的方法将电能转换为机械能:

  • 有刷电机使用称为电刷的电触点,将电流传输到缠绕有金属线圈的电枢。两个永久定子磁铁,一正一负,围绕着电枢,使通电的电枢旋转。当电枢旋转时,其动能使电机轴转动。

  • 无刷电机使用多个定子电磁铁,这些定子电磁铁围绕磁化转子排列成一个环。电磁铁可以按顺序激活和停用,以控制转子的转动并将其定位在与每个磁铁精确对齐的位置。在这里,转子的旋转产生了转动电机轴的动能。

您仍然会发现有刷电机用于各种应用,例如家用电器。然而,无刷电机在许多其他领域已经取代了有刷电机,包括驱动我们世界的许多数字技术。

因此,了解如何控制步进电机以及如何构建安全有效地运行它们的控制系统非常重要。不过,在我们深入了解它们的工作原理之前,让我们通过查看步进电机可以提供的优势以及它们常用的应用来更好地了解步进电机的使用方式。


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步进电机的基本设计示例。依次激活每个线圈以在转子中产生一致且可预测的运动。


步进电机的优点


那么,为什么步进电机通常是机器人应用的有力选择?以下是步进电机的一些主要优势,使其非常适合机器人技术:

  • 极其精确地控制电机运动和定位

  • 维护要求比有刷电机低得多

  • 在额定速度和负载下高效可靠地运行

  • 比大多数有刷电机的占地面积小得多

  • 产生的热量和电气噪声比有刷电机少得多

单极步进电机一次只为定子线圈环的一侧供电,价格也相对便宜,这使得它们在电子爱好者和专业人士中很受欢迎。双极步进电机也将反向电流传输到与通电定子线圈相对的线圈,更复杂且更昂贵。然而,它们更平稳和更精确的操作使它们更适合工业应用。

步进电机并不是每个应用的正确选择。如果您的项目需要电机以非常高的速度(通常超过 2,000 RPM)连续旋转,则步进驱动器中的多个磁极可能会导致出现涡流损耗等情况,从而降低电机的效率。此外,在如此高的速度下转子上的磨损可能会缩短其使用寿命。

步进电机的机器人应用

步进电机可用于多种应用,特别是在机器人领域。由于步进电机在精确定位和可靠的重复运动方面表现出色,因此它们非常适合需要长时间快速、准确运动的应用。步进电机的常见机器人应用包括:


  • 数控加工

  • 3D 和 2D 打印

  • 纺织品制造

  • 医学影像设备

  • 硬盘磁盘存储系统

这些应用中的每一个都需要对转子、激光器、打印头、触控笔和其他自动化机器人组件进行精确控制。步进电机提供工程师在设计机器人系统时所需的精确控制和可靠性。然而,要让步进电机在这些应用中发挥其潜力,重要的是要牢牢掌握如何使用各种可用的电压控制方法来控制步进电机。

从根本上说,控制步进电机的基本方法是以正确的顺序为围绕齿轮的线圈通电和断电。改变线圈激活的顺序和时间是工程师如何根据应用需求定制步进电机的操作。

电流流向步进电机的变化会产生极其细微和精确的定位差异。步进电机的精度取决于它的步数,即它在整个旋转周期中占据的不同位置的数量。步数更多的步进电机将更能产生更精确的定位差异。步进电机可以达到的精度水平称为电机分辨率。

步进电机控制的主要方式有:

  • Wave Drive/Single Phase: 一个线圈依次激活。这是步进电机最基本的操作模式,产生的分辨率最低。

  • 全步:两个线圈依次同时启动,因此转子的极位置实际上在每个线圈之间。此模式对于提高电机的扭矩和速度很有用,但它不会提高电机的分辨率,因为它仍然具有相同的步数。

  • 半步:激活一个线圈,然后在下一步同时激活两个线圈。因此,转子一次移动半步,从一个线圈有效时的直接对齐位置到两个线圈有效时的分裂对齐。这种模式实际上为电机的旋转增加了额外的步数,因此它大大提高了分辨率。

  • 微步:使用一系列正弦波脉冲激活线圈,这些脉冲以极小的步长移动转子。由于能够将转子的完整步骤循环细分为多达 256 个步骤,因此该方法产生了此处列出的任何方法中的最高分辨率。微步进还可以非常平稳和一致地移动转子,这有助于减少电机部件的振动、噪音和磨损。由于这些优点,微步进是当今应用中步进电机最常见的激活模式。

还可以通过增加线圈和极数来提高步进电机的分辨率。专业工程师使用的大多数步进电机都有大量的线圈,在微步之前提供大约 200 步。总之,这些选项为使用步进电机的工程师提供了许多不同的选项,以提高电机分辨率的精度。

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每个步进电机都通过驱动电路进行控制,驱动电路将电流传输到线圈以激活它们。由于控制步进电机运动的整个机制始于电机控制器,因此根据最佳实践仔细设计步进电机控制至关重要。在接下来的部分中,我们将快速了解在设计步进电机驱动器电路时需要了解的基础知识。

步进电机驱动器选择的基础知识

步进电机的驱动器电路通常连接到微控制器,该微控制器为电机操作员提供对发送到线圈的电压脉冲的控制。步进驱动电路有许多不同的选项,包括一些设计用于开箱即用的步进控制器型号。其他人则使用像 Arduino Uno 这样的可编程微控制器,可以使用其开源步进控制库对其进行编程。

选择步进电机驱动电路时,从四个基本因素入手:

  1. 电压:驱动器的额定电压等级应多种多样,因为您可能需要测试不同的电压才能为您的步进电机找到最佳选择。

  2. 电流:驱动器的额定电流至少应为步进电机额定最大电流的 1.4 倍。

  3. 微步进:驱动程序应该有多个步进分辨率选项,以便您可以尝试不同的微步进设置。

  4. 最大步进脉冲:驱动器的额定步进脉冲数量应足以使转子以您的应用所需的速度转动。

选择步进驱动器的其他因素

尽管步进电机的设计相对简单,但指定正确的步进电机和设计合适的控制系统可能是一项具有挑战性的任务。我们刚刚讨论的四个因素可能会受到许多其他值得考虑的因素的影响。

在设计包含步进电机的系统时,请务必考虑以下因素:

  • 当您的应用需要特定的转速和扭矩时,即使考虑了上述条件,匹配正确的电机和驱动器也可能具有挑战性。通常,匹配电机和驱动器的最准确方法是使用具有适当速度-转矩曲线的工程软件。从具有所需电压和电流特性的驱动器开始,然后使用您的速度-转矩曲线将其与电机匹配。

  • 扭矩不匹配是步进电机驱动设计中的一个常见问题,可能导致失速(由于扭矩不足)或振动和噪音(由于扭矩过大)。要获得正确的扭矩量,首先要计算电机需要执行的所需任务的负载扭矩。一旦您确定了所需的负载扭矩,请使用负载和电机扭矩匹配技术来确保您的电机扭矩处于最佳状态。

  • 请记住,步进电机需要全电流才能产生保持扭矩,这意味着步进电机在长时间保持在适当位置时会变得非常热。确保在设计冷却系统时考虑到这一点。

  • 双极步进电机需要比单极步进电机稍微复杂的驱动电路,因为它们需要同时将负电流传输到相反的线圈。如果您使用的是双极步进电机,请确保您的驱动单元能够控制双极电机。

  • 步进电机的控制单元应受到电气外壳的保护,以使其免受环境危害。根据电机的运行环境,其接线盒接线可能会被灰尘和碎屑弄脏或被溅水损坏(以及许多其他可能的危险)。