什么是步進電機？

步進電機是離散運動的直流電機。它們具有多個線圈，這些線圈以稱為“相”的組進行組織。通過依次給每個相通電，電動機將一次旋轉(zhuǎn)一個步。

通過計算機控制的步進，您可以實現(xiàn)非常精確的定位和/或速度控制。因此，步進電機是許多精密運動控制應用的首選電機。

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

四相單極電動機。 來自Wikimedia Commons的動畫

步進電機有哪些優(yōu)點？

定位 –由于步進器以精確的可重復步長移動，因此它們在要求精確定位的應用（例如3D打印機，CNC，Camera平臺和X）中表現(xiàn)出色，Y繪圖儀。某些磁盤驅(qū)動器還使用步進電機來定位讀/寫頭。

速度控制 –精確的運動增量還可以實現(xiàn)出色的轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)過程自動化

低速扭矩-普通的直流電動機在低速時扭矩不大。步進電機在低速時具有最大扭矩，因此對于需要高精度的低速應用是一個不錯的選擇。

它們的局限性是什么？

低效率 –與直流電動機不同，步進電動機的電流消耗與負載無關。當他們根本不工作時，請汲取最新信息。因此，它們傾向于運轉(zhuǎn)。

有限的高速轉(zhuǎn)矩-通常，步進電動機在高速下的轉(zhuǎn)矩要比在低速下小。一些步進器經(jīng)過了優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的高速性能，但需要將其與合適的驅(qū)動器配對才能實現(xiàn)該性能。

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

步進電機的類型

步進電機的種類繁多，其中一些需要非常專業(yè)的驅(qū)動程序。出于我們的目的，我們將重點介紹可以用普通電機驅(qū)動的步進電機?？捎玫尿?qū)動器。它們是：永磁或混合式步進電機，兩相雙極或四相單極。

電動機尺寸，首先要考慮的事情是電動機必須完成的工作。如您所料，大型電機能夠提供更大的功率。步進電機的尺寸范圍從小于花生到大型NEMA 57怪物。

大多數(shù)電動機具有額定扭矩。這是確定電動機是否具有滿足您所需功能的強度時需要考慮的內(nèi)容。

NEMA 17是3D打印機和小型CNC銑床中常用的尺寸。小型電機可用于許多機器人和動畫應用。較大的NEMA機架在CNC機械和工業(yè)應用中很常見。

NEMA編號定義了用于安裝電機的標準面板尺寸。它們沒有定義電動機的其他特性。兩種不同的NEMA 17電動機可能具有完全不同的電氣或機械規(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?？捎玫牟綌?shù)為24、48和200。分辨率通常表示為每步度數(shù)。 1.8 °電動機與200步/轉(zhuǎn)電動機相同。

要獲得高分辨率，就要權(quán)衡速度和轉(zhuǎn)矩。高步數(shù)電機以比類似尺寸更低的RPM達到最高輸出。與以類似速度運行的類似尺寸低步數(shù)電動機相比，旋轉(zhuǎn)這些電動機所需的更高步數(shù)導致較低的扭矩。

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

齒輪系也會增加電動機的扭矩。一些微小的齒輪式步進器能夠產(chǎn)生驚人的扭矩。但是，當然要權(quán)衡速度。齒輪步進電機通常僅限于低RPM應用。

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

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

齒輪軸：有些軸的齒輪齒正好銑入其中。這些通常設計為與模塊化齒輪系配合。

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

接線步進電機接線有很多變化。就我們的目的而言，我們將重點介紹可以由常用驅(qū)動器驅(qū)動的步進器。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電機。

線圈和相位步進電機可以具有任意數(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)動器，始終以相同的方式激勵相位。一個線索，即“常見”線索，將永遠是負面的。另一個線索將永遠是積極的。單極驅(qū)動器可以用簡單的晶體管電路實現(xiàn)。缺點是可用扭矩較小，因為一次只能給一半線圈通電。

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

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

4相單極-所有公共線都連接在一起-就像5線電機一樣。

2相串聯(lián)雙極-相串聯(lián)連接，就像6線制電動機。

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。這種接線的優(yōu)點是更高的扭矩和最高轉(zhuǎn)速。

5-Wire電動機

這種樣式在較小的單極電動機中很常見。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。該電動機只能作為單極電動機來驅(qū)動。

6-Wire電動機。該電動機僅連接2對配對的公共線?？梢詫⑦@兩條線連接起來以創(chuàng)建5線單極電機。

或者您也可以忽略它們，將其視為雙極電機！

駕駛踏步車

按時間步入，按時間步入

快點，物料，按時間步入

適時

適時，適時

適時，適時

從不需要理由，從沒有韻律

我們踏入時空，我們踏入時空

“踏入時空”

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

驅(qū)動步進電動機比驅(qū)動常規(guī)有刷直流電動機要復雜一些。步進電動機需要一個步進控制器來及時激勵各相，以使電動機旋轉(zhuǎn)。

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

單極步進驅(qū)動器教程

簡單的雙H橋驅(qū)動器驅(qū)動雙極型電動機需要2個完整的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。

L293D是最受歡迎和最經(jīng)濟的芯片之一。這些可以在大多數(shù)第一代電動機防護罩的心臟中找到，包括廣受歡迎的V1 Adafruit電動機防護罩。

關于在Adafruit學習系統(tǒng)中使用裸露的L293D和Arduino的精彩教程：

第16課-步進電機

Adafruit Motor Shield V2 與基于L293D的基本控制器相比，Adafruit Motor Shield V2有了很大的進步。 V2屏蔽使用兩個TB6612 MOSFET驅(qū)動器。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)動步進器。

總共有2個驅(qū)動器芯片和4個完整的H橋，每個屏蔽層最多可以驅(qū)動兩個步進電機。驅(qū)動器芯片通過專用的PWM驅(qū)動器芯片與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個驅(qū)動器，僅用2個IO引腳即可控制64個電機！

該驅(qū)動程序的詳細信息可以在學習系統(tǒng)中找到。

Adafruit Motor Shield V2指南

高級CNC控制器 gShield和TinyG CNC控制器板使您更接近工業(yè)級步進器性能。這些板具有恒定電流“斬波器”驅(qū)動器，可對其進行調(diào)整以從電動機提供最大扭矩和速度。

TinyG CNC具有板載G代碼解釋器和4個電機輸出，這使它成為中小型4軸CNC機床的完整嵌入式解決方案。

如您所料，這些高級，高性能，性能板更復雜，建議有經(jīng)驗的用戶使用。

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

Synthetos論壇

Tiny G Wiki

將驅(qū)動程序匹配到步進器

現(xiàn)在，我們來討論最重要的部分：確保您的電動機和驅(qū)動器兼容。

電動機和驅(qū)動器不匹配會導致令人失望的性能。或更糟糕的是：電動機和/或控制器損壞。

如果選擇不當，您可能會遇到這個人：

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

電壓-驅(qū)動器可以提供給電動機的最大電壓。

連續(xù)電流-驅(qū)動器可以提供給電動機的最大電流。

“峰值”電流額定值不適用于步進電機。始終遵循“連續(xù)”當前評分。

了解電動機規(guī)格，您還需要了解電動機的電氣規(guī)格。有2個關鍵參數(shù)：

每相安培-這是電機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。

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

服從法律！ 步進電動機的相位是電感，因此它們將抵抗電流的快速變化。但是，在每個步驟結(jié)束時或不移動時，它們的行為就像純電阻性負載，并且會按照歐姆定律起作用。

當步進電機消耗最大電流時，仍然保持靜止。因此，歐姆定律允許我們使用電動機規(guī)格來計算驅(qū)動器的電流要求。

電壓=電流x電阻

或

電流=電壓/電阻

》的公式應嚴格應用于所有“恒定電壓”步進控制器。這包括Adafruit的V1和V2電動機屏蔽罩，以及幾乎所有其他基于L293D的控制器。

但有些電動機的線圈電阻非常低。嚴格遵循這些公式，驅(qū)動電壓將小于5v，性能將不佳。這種類型的電動機對于恒壓驅(qū)動器不是很好的匹配。這些步進器需要更專業(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律師事務所的專業(yè)知識可以幫助您提高電動機的性能。

步進線圈通電后會產(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“反電動勢”或“ 反電動勢”。

此反電動勢會增加線圈的“ 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。此阻抗會限制每個步驟開始時流經(jīng)線圈的電流。

Chopper Drives A 斬波器或“ 恒定電流”驅(qū)動器通過以更高的電壓驅(qū)動電機來補償反電動勢。使用斬波器驅(qū)動器以幾倍于額定電壓的速度驅(qū)動步進電動機是很正常的。

為了在較高的電壓下確保事物的安全，斬波器驅(qū)動器還監(jiān)視傳遞到電動機的電流，并在電動機斬波之前對其進行“斬波”。超過預設水平。通過以更高的電壓啟動，斬波器驅(qū)動器能夠在步驟開始時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)動器并將其配置為特定電動機需要對電動機和控制器都有很好的了解。

常見問題解答

此電機可以與我的防護罩一起工作嗎？

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

這是NEMA 17，

NEMA幀大小標準僅定義了安裝面板的尺寸。要弄清楚它是否兼容，您需要了解電動機的電氣規(guī)格。

如果沒有電機怎么辦

？請參閱Jason，了解對步進電線引出線進行反向工程的方法。這將告訴您相電阻。對于相電流，您可以基于類似設計和相似相電阻的電動機進行估算。

有疑問時，最好還是在安全方面犯錯誤，并使用較低的電流！

我的項目需要什么尺寸的電機？

大多數(shù)電動機都有扭矩規(guī)格-通常以英寸/盎司或牛頓/厘米為單位。 1英寸/盎司表示電動機可以在距軸中心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。

在計算項目所需的扭矩時，請確保留有加速和克服摩擦所需的額外扭矩。

如果您的項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器。

怎么辦我將電動機連接到電動機護罩了嗎？

從Adafruit購買的電動機有接線產(chǎn)品說明中列出的說明

對于其他電動機，請檢查電動機的規(guī)格表（如果有）

如果沒有規(guī)格表，請在反向工程中檢查杰森（Jason）的步進電線引出線。

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行電動機，盡管轉(zhuǎn)矩會降低。

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

* 這適用于恒壓驅(qū)動器。對于斬波驅(qū)動器控制器，請查看控制器說明。

責任編輯：wv