什么是步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)是離散運(yùn)動(dòng)的直流電機(jī)。它們具有多個(gè)線圈，這些線圈以稱為“相”的組進(jìn)行組織。通過依次給每個(gè)相通電，電動(dòng)機(jī)將一次旋轉(zhuǎn)一個(gè)步。

通過計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)，您可以實(shí)現(xiàn)非常精確的定位和/或速度控制。因此，步進(jìn)電機(jī)是許多精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的首選電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)有許多不同的尺寸，樣式和電氣特性。本指南詳細(xì)介紹了您需要了解適合該工作的電動(dòng)機(jī)的內(nèi)容。

四相單極電動(dòng)機(jī)。 來自Wikimedia Commons的動(dòng)畫

步進(jìn)電機(jī)有哪些優(yōu)點(diǎn)？

定位 –由于步進(jìn)器以精確的可重復(fù)步長移動(dòng)，因此它們在要求精確定位的應(yīng)用（例如3D打印機(jī)，CNC，Camera平臺(tái)和X）中表現(xiàn)出色，Y繪圖儀。某些磁盤驅(qū)動(dòng)器還使用步進(jìn)電機(jī)來定位讀/寫頭。

速度控制 –精確的運(yùn)動(dòng)增量還可以實(shí)現(xiàn)出色的轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化

低速扭矩-普通的直流電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)扭矩不大。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有最大扭矩，因此對(duì)于需要高精度的低速應(yīng)用是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

它們的局限性是什么？

低效率 –與直流電動(dòng)機(jī)不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電流消耗與負(fù)載無關(guān)。當(dāng)他們根本不工作時(shí)，請汲取最新信息。因此，它們傾向于運(yùn)轉(zhuǎn)。

有限的高速轉(zhuǎn)矩-通常，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高速下的轉(zhuǎn)矩要比在低速下小。一些步進(jìn)器經(jīng)過了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更好的高速性能，但需要將其與合適的驅(qū)動(dòng)器配對(duì)才能實(shí)現(xiàn)該性能。

無反饋 –與伺服電機(jī)不同，大多數(shù)步進(jìn)機(jī)都沒有積分反饋的位置。盡管在“開環(huán)”運(yùn)行中可以達(dá)到很高的精度。為了安全和/或建立參考位置，通常需要限位開關(guān)或“家用”探測器。

步進(jìn)電機(jī)的類型

步進(jìn)電機(jī)的種類繁多，其中一些需要非常專業(yè)的驅(qū)動(dòng)程序。出于我們的目的，我們將重點(diǎn)介紹可以用普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。可用的驅(qū)動(dòng)器。它們是：永磁或混合式步進(jìn)電機(jī)，兩相雙極或四相單極。

電動(dòng)機(jī)尺寸，首先要考慮的事情是電動(dòng)機(jī)必須完成的工作。如您所料，大型電機(jī)能夠提供更大的功率。步進(jìn)電機(jī)的尺寸范圍從小于花生到大型NEMA 57怪物。

大多數(shù)電動(dòng)機(jī)具有額定扭矩。這是確定電動(dòng)機(jī)是否具有滿足您所需功能的強(qiáng)度時(shí)需要考慮的內(nèi)容。

NEMA 17是3D打印機(jī)和小型CNC銑床中常用的尺寸。小型電機(jī)可用于許多機(jī)器人和動(dòng)畫應(yīng)用。較大的NEMA機(jī)架在CNC機(jī)械和工業(yè)應(yīng)用中很常見。

NEMA編號(hào)定義了用于安裝電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)面板尺寸。它們沒有定義電動(dòng)機(jī)的其他特性。兩種不同的NEMA 17電動(dòng)機(jī)可能具有完全不同的電氣或機(jī)械規(guī)格，并且不一定可以互換。

步數(shù)接下來要考慮的是您所需的定位分辨率。每轉(zhuǎn)的步數(shù)范圍為4到400。通常可用的步數(shù)為24、48和200。分辨率通常表示為每步度數(shù)。 1.8 °電動(dòng)機(jī)與200步/轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相同。

要獲得高分辨率，就要權(quán)衡速度和轉(zhuǎn)矩。高步數(shù)電機(jī)以比類似尺寸更低的RPM達(dá)到最高輸出。與以類似速度運(yùn)行的類似尺寸低步數(shù)電動(dòng)機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)這些電動(dòng)機(jī)所需的更高步數(shù)導(dǎo)致較低的扭矩。

齒輪實(shí)現(xiàn)高定位分辨率的另一種方法是齒輪傳動(dòng)。將32：1齒輪系應(yīng)用于8步/轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的輸出將產(chǎn)生512步電動(dòng)機(jī)。

齒輪系也會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的扭矩。一些微小的齒輪式步進(jìn)器能夠產(chǎn)生驚人的扭矩。但是，當(dāng)然要權(quán)衡速度。齒輪步進(jìn)電機(jī)通常僅限于低RPM應(yīng)用。

軸樣式的另一件事是電機(jī)如何將與驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的其余部分連接。電機(jī)有多種軸類型：

圓軸或“ D”軸：這些軸具有各種標(biāo)準(zhǔn)直徑，并且有許多皮帶輪，齒輪和專門設(shè)計(jì)的軸連接器。 “ D”軸的一側(cè)扁平，有助于防止打滑。當(dāng)涉及到高扭矩時(shí)，這些是理想的。

齒輪軸：有些軸的齒輪齒正好銑入其中。這些通常設(shè)計(jì)為與模塊化齒輪系配合。

導(dǎo)螺桿軸：帶導(dǎo)螺桿的電機(jī)用于構(gòu)建線性致動(dòng)器。這些的微型版本可以在許多磁盤驅(qū)動(dòng)器中找到磁頭定位器。

接線步進(jìn)電機(jī)接線有很多變化。就我們的目的而言，我們將重點(diǎn)介紹可以由常用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)器。這些是連接為2相雙極或4相單極的永磁體或混合式步進(jìn)電機(jī)。

線圈和相位步進(jìn)電機(jī)可以具有任意數(shù)量的線圈。但是，這些連接成組稱為“階段”。相中的所有線圈都一起通電。

單極與雙極 單極驅(qū)動(dòng)器，始終以相同的方式激勵(lì)相位。一個(gè)線索，即“常見”線索，將永遠(yuǎn)是負(fù)面的。另一個(gè)線索將永遠(yuǎn)是積極的。單極驅(qū)動(dòng)器可以用簡單的晶體管電路實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是可用扭矩較小，因?yàn)橐淮沃荒芙o一半線圈通電。

雙極驅(qū)動(dòng)器使用H橋電路實(shí)際上使流過各相的電流反向。通過以交替的極性為相供電，可以使所有線圈運(yùn)轉(zhuǎn)以使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。兩相雙極電動(dòng)機(jī)具有兩組線圈。 4相單極電動(dòng)機(jī)有4個(gè)。2相雙極電動(dòng)機(jī)將有4根線-每相2條。有些電動(dòng)機(jī)帶有靈活的接線，可讓您以雙極性或單極性運(yùn)行電動(dòng)機(jī)。

8線電機(jī) 8線單極是所有功能中最通用的電機(jī)。它可以通過幾種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)：

4相單極-所有公共線都連接在一起-就像5線電機(jī)一樣。

2相串聯(lián)雙極-相串聯(lián)連接，就像6線制電動(dòng)機(jī)。

2相并聯(lián)雙極性-相并聯(lián)連接。這樣可產(chǎn)生一半的電阻和電感-但需要兩倍的電流來驅(qū)動(dòng)。這種接線的優(yōu)點(diǎn)是更高的扭矩和最高轉(zhuǎn)速。

5-Wire電動(dòng)機(jī)

這種樣式在較小的單極電動(dòng)機(jī)中很常見。所有常見的線圈線在內(nèi)部都綁在一起，并作為第五根線引出。該電動(dòng)機(jī)只能作為單極電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。

6-Wire電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)僅連接2對(duì)配對(duì)的公共線。可以將這兩條線連接起來以創(chuàng)建5線單極電機(jī)。

或者您也可以忽略它們，將其視為雙極電機(jī)！

駕駛踏步車

按時(shí)間步入，按時(shí)間步入

快點(diǎn)，物料，按時(shí)間步入

適時(shí)

適時(shí)，適時(shí)

適時(shí)，適時(shí)

從不需要理由，從沒有韻律

我們踏入時(shí)空，我們踏入時(shí)空

“踏入時(shí)空”

Robert B. Sherman and Richard謝爾曼（M.Sherman）

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比驅(qū)動(dòng)常規(guī)有刷直流電動(dòng)機(jī)要復(fù)雜一些。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要一個(gè)步進(jìn)控制器來及時(shí)激勵(lì)各相，以使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

簡單的單極性驅(qū)動(dòng)程序最簡單的驅(qū)動(dòng)器類型可以由少數(shù)晶體管構(gòu)成。只需按順序打開和關(guān)閉這些電源即可為各相通電并步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。單極驅(qū)動(dòng)器的制造成本相對(duì)較低，但僅適用于單極電機(jī)。在Arduino站點(diǎn)上有一個(gè)很棒的教程。

單極步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器教程

簡單的雙H橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)雙極型電動(dòng)機(jī)需要2個(gè)完整的H橋，以便可以將電流反向轉(zhuǎn)換為相位。從頭開始構(gòu)建H橋可能很棘手。但是，有很多H橋芯片可以簡化任務(wù)。

L293D是最受歡迎和最經(jīng)濟(jì)的芯片之一。這些可以在大多數(shù)第一代電動(dòng)機(jī)防護(hù)罩的心臟中找到，包括廣受歡迎的V1 Adafruit電動(dòng)機(jī)防護(hù)罩。

關(guān)于在Adafruit學(xué)習(xí)系統(tǒng)中使用裸露的L293D和Arduino的精彩教程：

第16課-步進(jìn)電機(jī)

Adafruit Motor Shield V2 與基于L293D的基本控制器相比，Adafruit Motor Shield V2有了很大的進(jìn)步。 V2屏蔽使用兩個(gè)TB6612 MOSFET驅(qū)動(dòng)器。與L293D相比，TB6612具有兩倍的電流容量和更低的壓降，從而可以更高效地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)器。

總共有2個(gè)驅(qū)動(dòng)器芯片和4個(gè)完整的H橋，每個(gè)屏蔽層最多可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器芯片通過專用的PWM驅(qū)動(dòng)器芯片與I2C接口連接。這釋放了許多GPIO引腳供其他用途，并使屏蔽層也可堆疊。您最多可以堆疊32個(gè)驅(qū)動(dòng)器，僅用2個(gè)IO引腳即可控制64個(gè)電機(jī)！

該驅(qū)動(dòng)程序的詳細(xì)信息可以在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中找到。

Adafruit Motor Shield V2指南

高級(jí)CNC控制器 gShield和TinyG CNC控制器板使您更接近工業(yè)級(jí)步進(jìn)器性能。這些板具有恒定電流“斬波器”驅(qū)動(dòng)器，可對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以從電動(dòng)機(jī)提供最大扭矩和速度。

TinyG CNC具有板載G代碼解釋器和4個(gè)電機(jī)輸出，這使它成為中小型4軸CNC機(jī)床的完整嵌入式解決方案。

如您所料，這些高級(jí)，高性能，性能板更復(fù)雜，建議有經(jīng)驗(yàn)的用戶使用。

這些板及其操作的詳細(xì)信息可以在TinyG Wiki和Synthetos論壇中找到。

Synthetos論壇

Tiny G Wiki

將驅(qū)動(dòng)程序匹配到步進(jìn)器

現(xiàn)在，我們來討論最重要的部分：確保您的電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兼容。

電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器不匹配會(huì)導(dǎo)致令人失望的性能。或更糟糕的是：電動(dòng)機(jī)和/或控制器損壞。

如果選擇不當(dāng)，您可能會(huì)遇到這個(gè)人：

了解驅(qū)動(dòng)器規(guī)格，驅(qū)動(dòng)器規(guī)格中的兩個(gè)最重要的參數(shù)是：

電壓-驅(qū)動(dòng)器可以提供給電動(dòng)機(jī)的最大電壓。

連續(xù)電流-驅(qū)動(dòng)器可以提供給電動(dòng)機(jī)的最大電流。

“峰值”電流額定值不適用于步進(jìn)電機(jī)。始終遵循“連續(xù)”當(dāng)前評(píng)分。

了解電動(dòng)機(jī)規(guī)格，您還需要了解電動(dòng)機(jī)的電氣規(guī)格。有2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

每相安培-這是電機(jī)繞組在不過熱的情況下可以處理的最大電流。

每相電阻-這是每相的電阻。

通常會(huì)給出電壓的額定值。通常是根據(jù)以上兩個(gè)方法計(jì)算得出的-但并非總是如此。最好使用歐姆定律根據(jù)上述參數(shù)來計(jì)算自己。

服從法律！ 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相位是電感，因此它們將抵抗電流的快速變化。但是，在每個(gè)步驟結(jié)束時(shí)或不移動(dòng)時(shí)，它們的行為就像純電阻性負(fù)載，并且會(huì)按照歐姆定律起作用。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)消耗最大電流時(shí)，仍然保持靜止。因此，歐姆定律允許我們使用電動(dòng)機(jī)規(guī)格來計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的電流要求。

電壓=電流x電阻

或

電流=電壓/電阻

》的公式應(yīng)嚴(yán)格應(yīng)用于所有“恒定電壓”步進(jìn)控制器。這包括Adafruit的V1和V2電動(dòng)機(jī)屏蔽罩，以及幾乎所有其他基于L293D的控制器。

但有些電動(dòng)機(jī)的線圈電阻非常低。嚴(yán)格遵循這些公式，驅(qū)動(dòng)電壓將小于5v，性能將不佳。這種類型的電動(dòng)機(jī)對(duì)于恒壓驅(qū)動(dòng)器不是很好的匹配。這些步進(jìn)器需要更專業(yè)的控制器。

超越法律？

不可能欺騙歐姆定律。如果嘗試，則必須回答B(yǎng)lue Smoke Monster。但是，這里還有其他一些法律在起作用。 Lenz，F(xiàn)araday和Ohm律師事務(wù)所的專業(yè)知識(shí)可以幫助您提高電動(dòng)機(jī)的性能。

步進(jìn)線圈通電后會(huì)產(chǎn)生磁場。根據(jù)法拉第定律，不斷變化的磁場在線圈中感應(yīng)出電流。并且根據(jù)倫茲定律，該電流將與創(chuàng)建該場的電流相反。此反向電流稱為“反電動(dòng)勢”或“ 反電動(dòng)勢”。

此反電動(dòng)勢會(huì)增加線圈的“ 阻抗”或有效電阻。因此，歐姆定律仍然適用-但適用于此阻抗，而不適用于簡單的相電阻。此阻抗會(huì)限制每個(gè)步驟開始時(shí)流經(jīng)線圈的電流。

Chopper Drives A 斬波器或“ 恒定電流”驅(qū)動(dòng)器通過以更高的電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)來補(bǔ)償反電動(dòng)勢。使用斬波器驅(qū)動(dòng)器以幾倍于額定電壓的速度驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是很正常的。

為了在較高的電壓下確保事物的安全，斬波器驅(qū)動(dòng)器還監(jiān)視傳遞到電動(dòng)機(jī)的電流，并在電動(dòng)機(jī)斬波之前對(duì)其進(jìn)行“斬波”。超過預(yù)設(shè)水平。通過以更高的電壓啟動(dòng)，斬波器驅(qū)動(dòng)器能夠在步驟開始時(shí)向線圈傳遞更多的電流，從而增加了可用轉(zhuǎn)矩。除了在較低的速度下增加扭矩外，這還允許更高的最高速度。

選擇斬波驅(qū)動(dòng)器并將其配置為特定電動(dòng)機(jī)需要對(duì)電動(dòng)機(jī)和控制器都有很好的了解。

常見問題解答

此電機(jī)可以與我的防護(hù)罩一起工作嗎？

您需要了解電機(jī)規(guī)格和控制器規(guī)格。獲得這些信息后，請檢查“ 將驅(qū)動(dòng)程序匹配到步進(jìn)器”頁面以查看它們是否兼容。

這是NEMA 17，

NEMA幀大小標(biāo)準(zhǔn)僅定義了安裝面板的尺寸。要弄清楚它是否兼容，您需要了解電動(dòng)機(jī)的電氣規(guī)格。

如果沒有電機(jī)怎么辦

？請參閱Jason，了解對(duì)步進(jìn)電線引出線進(jìn)行反向工程的方法。這將告訴您相電阻。對(duì)于相電流，您可以基于類似設(shè)計(jì)和相似相電阻的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行估算。

有疑問時(shí)，最好還是在安全方面犯錯(cuò)誤，并使用較低的電流！

我的項(xiàng)目需要什么尺寸的電機(jī)？

大多數(shù)電動(dòng)機(jī)都有扭矩規(guī)格-通常以英寸/盎司或牛頓/厘米為單位。 1英寸/盎司表示電動(dòng)機(jī)可以在距軸中心1英寸處施加1盎司的力。例如，它可以使用2英寸直徑的滑輪支撐一盎司。

在計(jì)算項(xiàng)目所需的扭矩時(shí)，請確保留有加速和克服摩擦所需的額外扭矩。

如果您的項(xiàng)目需要很大的扭矩而不是太大的速度，請考慮使用齒輪式步進(jìn)器。

怎么辦我將電動(dòng)機(jī)連接到電動(dòng)機(jī)護(hù)罩了嗎？

從Adafruit購買的電動(dòng)機(jī)有接線產(chǎn)品說明中列出的說明

對(duì)于其他電動(dòng)機(jī)，請檢查電動(dòng)機(jī)的規(guī)格表（如果有）

如果沒有規(guī)格表，請?jiān)诜聪蚬こ讨袡z查杰森（Jason）的步進(jìn)電線引出線。

此p

首先要確保其電壓不超過 * 通常，您可以在較低的電壓下運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，盡管轉(zhuǎn)矩會(huì)降低。

下一步，檢查電流額定值。大多數(shù)步進(jìn)模式一次可為兩相通電，因此額定電流至少應(yīng)為電動(dòng)機(jī)每相電流的兩倍。

* 這適用于恒壓驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于斬波驅(qū)動(dòng)器控制器，請查看控制器說明。

責(zé)任編輯：wv