高效率電機(jī)驅(qū)控背景下步進(jìn)電機(jī)如何發(fā)展
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）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)動器接收到一個脈沖信號，它就會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)播一個固定的角度，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很大，沒辦法滿足現(xiàn)在的市場需求，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)矩會稍稍降低，在小型化大轉(zhuǎn)矩上同時實(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，而且誤差也不會在步間累積，在定位精度和運(yùn)動可重復(fù)性上很有優(yōu)勢。
微步驅(qū)動與高精度驅(qū)控
步距角，是步進(jìn)電機(jī)的一個關(guān)鍵參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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？因為步距角的大小會直接影響到電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和控制的精度。簡而言之，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，在低速旋轉(zhuǎn)時阻尼振動會引起振動和噪聲，通過減小步距角可以減少阻尼振動，也就是通過微步驅(qū)動可以降低低速范圍的振動和噪聲。
將整步驅(qū)動的單向驅(qū)動和雙向驅(qū)動交替地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生了半步控制，這樣一個電周期內(nèi)的電氣角位置比整步驅(qū)動多了一倍，同樣數(shù)量的脈沖信號下大大提高了控制精度。進(jìn)而，不斷分割兩相驅(qū)動電流，得到更小的步進(jìn)增量，就是現(xiàn)在流行的微步驅(qū)動。
這個過程通過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)動幾乎可以為微步指定任何尺寸，步長僅受驅(qū)動繞組電流的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)動和控制方法對電機(jī)而言非常重要，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制也在不斷優(yōu)化。
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