步進電機通常用于定位，因為其性價比高、易于驅動，而且可以在開環系統中使用——也就是說，這種電機不需要像伺服電機那樣提供位置反饋。步進電機可用于激光雕刻機等小型工業機器、3D打印機，以及激光打印機等辦公設備。
步進電機有多種方案。對于工業應用，每轉200步的兩相混合式步進電機非常常見。對于這種電機，“混合”是指其使用永磁體和帶齒鐵轉子(例如可變磁阻電機)的方式；“200步”則是指電機在每步之間移動1.8°。這些步長是轉子和定子上齒數的函數。
本文將重點介紹兩相混合式步進電機，因為其最為常見。圖1顯示了典型的2相混合電機。
圖1：典型2相混合式步進電機的外觀。
微步的工作原理
步進電機移動不到整步是可能的。這個過程稱為微步進，它是通過調制通過繞組的電流來完成的，這樣轉子就可以定位在整步之間。設計人員幾乎可以為微步指定任何尺寸，因為步長僅受驅動繞組電流的數模轉換器(DAC)和放大器的分辨率限制。1/256甚至1/1024的分辨率并不少見。
實際上，對于大多數機械系統來說，這種精細的微步并不總能提高定位精度。許多其他因素會對性能產生負面影響。
微步進中的角度誤差有幾個來源。一個是電機本身的缺陷——機械和磁性——因為電機沒有完美的正弦電流到位置傳遞函數。即使向電機施加完美的正弦和余弦電流，運動也不是完美的線性。
另一個誤差源是步進電機控制器的電流調節精度。典型的步進電機IC可精確到滿量程電流的5%。此外，兩個通道之間的電流調節匹配可能并不完美。這些不準確性的結果降低了定位精度。
步進電機轉矩
步進電機具有額定保持轉矩。保持轉矩是將電機從整步位置拉開所需的轉矩，也是電機移動一整步時可以產生的轉矩。在每一個整步之后，小齒會與最小的磁路對齊，從而產生強大的轉矩。
微步時，由于轉子保持在整步位置之間，磁路較長，因此保持轉矩降低。這個增量保持轉矩可以用公式(1)來計算：
增量保持轉矩=(整步保持轉矩)·sin(90°/X) (1)
其中X是微步數。
例如，對于1/8步，增量轉矩約為全步轉矩的20%。對于1/32步，增量轉矩僅為整步轉矩的5%。
這對運動控制系統意味著什么？這意味著要在執行微步時實際達到預期位置，電機上的轉矩負載必須是電機額定保持轉矩的一小部分。
實驗室測量
為了測試微步進時的位置精度，我們進行了幾個實驗。實驗室裝置使用了一個第一表面鏡(安裝在步進電機軸上)和一個激光器。光束從鏡子反射到實驗室的另一端，距離約為9m。然后測量激光束的仰角，并計算角度。精度測量主要受光束高度測量精度的限制；在±1mm處，這對應于±0.006°的精度。
實驗所用電機是典型的混合電機，其常用于3D打印機等產品。這款電機是一個1.8°雙極電機，額定電流為2.8A，保持轉矩為1.26Nm。
第一個實驗單獨測量了電機的精度。它使用精確的直流電流源來驅動兩個相，電機軸上沒有轉矩負載。相反，只有鏡子在軸上(圖2)。
圖2：鏡子放置在步進電機軸上。
這種裝置的結果顯示出小的非線性，但總的來說，角度精度很好——大約為±0.03°，并且運動是單調的(圖3)。也就是說，電機永遠不會朝錯誤的方向移動或無法移動。這些誤差表示了電機本身的固有誤差以及測量誤差。請注意，1/32步對應于0.056°。
圖3：1/32步的空載精度可確保單調運動。
接下來將電機連接到一個磁粉制動器，用于向電機施加摩擦轉矩負載(圖4)。
圖4：制動裝置向電機施加摩擦轉矩負載。
然后用直流電流源重復了相同的測量，將大約0.1Nm的轉矩施加到電機軸上。圖5顯示這些結果顯著不同，因為每隔一步都沒有運動。
圖5：增加轉矩情況下的1/32步，顯示出明顯不同的結果。
此行為與該電機計算所得增量轉矩一致。1/32微步的增量轉矩約為保持轉矩的5%。在這種情況下，在保持轉矩為1.26Nm時，一個微步產生的預期轉矩約為0.06Nm。然而，這還不足以克服摩擦負載，因此在轉矩足夠高到可以克服負載之前需要兩個微步。
如果將轉矩增加到0.9Nm(大約是失速轉矩的70%)，則需要更多微步才能將轉矩提高到使電機發生移動(圖6)。
圖6：0.9Nm轉矩情況下的1/32步，需要更多微步才能使電機移動。
我們使用MPS的MP6500步進電機驅動器IC進行了兩個類似的實驗。MP6500驅動器IC使用精確的PWM電流調節，可以從整步到1/8步運行。圖7顯示了MP6500的框圖。
圖7：MP6500步進電機驅動器采用基于PWM的電流調節。
為了測試使用傳統步進電機驅動器IC與使用直流電流源時的精度是否不同，第一個測試是在0.1Nm轉矩和1/8步模式下進行的。1/8步產生的轉矩約為整步的20%，即0.25Nm，比所加的0.1Nm轉矩大。圖8所示的結果表明實際角度對理想角度實現了跟蹤。
圖8：在第一次測試中，MP6500步進電機驅動器IC使用了1/8步，轉矩為0.1Nm。
我們對第二個測試施加了0.4Nm的轉矩。這超過了1/8步的增量保持轉矩(0.25Nm)。正如預期的那樣，微步有跳步現象(圖9)。
圖9：在第二次測試中，MP6500使用了1/8步，轉矩為0.4Nm。
機械方面的考慮
為了在微步進時獲得所需的精度，設計人員必須密切關注機械系統。
有幾種方法可以利用步進電機產生線性運動。第一種方法是使用皮帶和皮帶輪將電機連接到移動部件。在這種情況下，旋轉被轉換為線性運動。移動的距離是電機運動角度和皮帶輪直徑的函數。
第二種方法是使用絲杠或滾珠絲杠。將步進電機直接連接到絲杠的末端，因此當絲杠旋轉時，螺母就會以線性方式行進。
在這兩種情況下，是否存在因單個微步產生的實際線性運動，取決于摩擦轉矩。這意味著為了獲得最佳精度，必須將摩擦轉矩降至最低。
例如，許多絲杠和滾珠絲杠螺母具有一定的預緊力可調性。預緊力是一種用于防止背隙的力，后者會在系統中引起一些間隙。然而，增加預緊力可減少背隙，但也會增加摩擦力。因此，在背隙和摩擦力之間存在權衡。
微步時要小心
在使用步進電機設計運動控制系統時，不能假設電機的額定保持轉矩在微步時仍然適用，因為增量轉矩會大大降低。這可能會導致意外的定位誤差，上文所示的測試結果證明了這一點。在某些情況下，增加微步分辨率并不能提高系統精度。
為了克服這些限制，建議盡量減少電機上的轉矩負載，或使用具有更高額定保持轉矩的電機。通常，最好的解決方案是將機械系統設計為使用更大的步進增量，而不是依賴精細的微步進。步進電機驅動器可以使用1/8步來提供與傳統的、更昂貴的微步進驅動器相同的機械性能。
（原文刊登于EDN美國版，參考鏈接：Why microstepping in stepper motors isn’t as good as you think，由Franklin Zhao編譯。）
本文為《電子技術設計》2022年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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