摘要：步进电机对于需要平稳运动和高分辨率定位的精密应用至关重要。为了满足应用需求，必须深入了解全步进、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。

步进电机对于需要平稳运动和高分辨率定位的精密应用至关重要。为了满足应用需求，必须深入了解全步进、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。

简介

步进电机准确度高且控制方案相对简单，因此广泛应用于工业、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显著增加，电机噪声和振动相应地降低，是非常实用的步进电机控制方式。

步进电机基础知识

电机结构

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。

图1：混合式步进电机结构。(a) 8极定子。(b)永磁转子。

工作原理

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。

图2：混合式步进电机操作。

全步进和半步进

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。

图3：带有永磁转子的简化两相步进电机。

全步进模式

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。

图4：两相步进电机的全步进模式。

全步进能够实现精确的步进、速度控制和高保持扭矩。此外，当电机高速运行时，全步进可以大大地提高电机的扭矩输出。

然而，全步进可能导致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。

图5：全步进过冲和振铃。

拥有单个磁极对的简化电机采用全步进换相时，每转可以实现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。

通过该设置，当转子的齿与线圈的磁场对齐时，电机可以精准定位到特定位置。

半步进模式

减小步长可以改善位置过冲、振动和噪声问题。如图6所示，通过采用其他电流状态可以减小步长。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”。

图6：两相步进电机的半步进模式。

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，这意味着电机的旋转并非完全平稳。此问题在低速时尤其明显，这也是我们需要微步进的重要原因。

微步进

什么是微步进？

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。提高微步分辨率可以减小步进距离，从而降低位置过冲和振铃，进而改善振动和噪声。

图7：微步进时通过每个线圈的电流。

图8：不同步进模式下电流波形和位置过冲/振铃的比较。

微步进工作原理

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。。

关键考虑因素：位置准确度和增量扭矩

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。微步进虽然能够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。

增量扭矩可利用公式4来近似计算：

其中：

TINC：增量扭矩，单位为牛顿·米(N·m)

THOLD：全步进保持转矩，单位为牛顿·米(N·m)

SDR：分步比或以下最简分数的分母：

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%。

再举一个例子，当电机停止在7/256微步位置时：

因此，SDR为256，增量扭矩下降至电机保持扭矩的0.61%。

表1总结了SDR与增量扭矩之间的关系。

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表现出来。在实际应用中，如果需要高保持扭矩，用户应尽量将电机停在全步进或半步进位置。

常见微步进应用

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，进而可以确保患者感到舒适和安全。微步进技术可以满足这些要求。

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系统相关的成本和能源浪费。

目前，其应用范围较广泛，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。

结论

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。

来源：全球钓鱼一点号