新人贡献给大家一个翻译-步进电机

yearn3guns

来论坛有些时间了，一直在寻求帮助。这次看到了个好东西，如果大家有兴趣，我就翻译给大家看。
这个文章来自wikipedia，是个综述性文章，把基本原理和应用问题讲得比较清楚。其实我相信我们中很多人不止是满足于做做东西，能转就行，而是希望更深入一步，探索下机理，搞清楚如何更好地使用并发挥效能，其实乐趣更大。
老手请路过，轻拍，多谢

[ 本帖最后由 yearn3guns 于 2011-10-20 08:38 编辑 ]

跨越彩虹

这种帖子一定要顶:em26:

wwym

学习了，谢谢你了。.清再讲！

量子隧道

wave（波形）驱动
这种驱动方法，任意时刻只有一相被驱动。每一周的步进数和“full step驱动”一样，但是力矩小得多。这种驱动方法很少被用到。
full step（全步）驱动（两相驱动）
一般来说驱动步进电机的都是这种方法。任意时刻都有2个相处于驱动状态。在这种驱动模式下马达的力矩能达到其额定力矩。
half stepping（半步）驱动
在这种模式下，驱动器在两相驱动与单向驱动间切换。这种情况下可以增加角分辨率，但是力矩会变小（在半步位置上，只有一相被驱动，力矩会下降到70%）。此时，可以通过增加这个绕组的电流来弥补这个缺 陷。这种驱动方法的优点是，驱动器不需做什么更改就可以支持这种模式。
microstepping（微步）驱动（就是大家常说的“细分”）
microstepping通常被称为“正余弦microstepping”，因为此时绕组电流很类似于正弦交流波形。正余弦微步最常用，其它方式也有应用。随着每一步变得更小，电机运行得更加平滑，大大地减小了电机和负载的振动。分辨率可能受限于静摩擦，回差，以及电机和最终负载之间的机械误差。齿轮减速器可以用来增加分辨率。
步距可重复性是步进电机的一个重要特征，也是它们被用于定位系统的一个基本原因。
例如：很多现代的组合式步进电机（例如每步1.8度，或每圈200步）的每一步的距离偏差大约有3%到5%。一些步进电机制造商向外展示他们的电机可以在10细分下仍然保持每小步3%到5%的偏差。不管如何，随着细分数增长，小步的可重复性下降。在大细分下，很可能会出现这样的场景：有时驱动器给了很多个命令，但是电机并不移动，然后到了某个时候，突然向前跳动一下到一个新位置。（量子隧道注：估计这就是蠕动）

[ 本帖最后由 量子隧道 于 2011-10-23 18:10 编辑 ]

量子隧道

步进电机其实是一种多相交流同步电机。所以它的最理想的驱动电流波形是正弦波。阶跃波形只能算是正弦波的粗糙的近似。这是为什么步进电机有这么大振动的原因。
有很多种驱动技术被开发出来，以更好地模拟正弦波。这其中包括半步驱动和微步驱动。

量子隧道

量子隧道对斩波驱动的理解

量子隧道

斩波驱动电路有时也被称为恒流驱动。这种电路给绕组施加的不是恒定电压，而是基本恒定的电流。
在每一步的开始，给绕组施加一个非常高的电压，使绕组电流迅速上升（dI/dt=V/L，V很大）。
控制器通过测量串联在绕组上的小阻值电阻两端的电压来监视绕组电流。当电流超过某个上限，就控制功率晶体管关断电压。当电流低于某个下限，就打开这个电压。于是，绕组电流保持了相对恒定。
这种方法需要一些附加电路来感知绕组电流，并且控制晶体管开关，但是这种方法在高转速时比L/R驱动器力矩更大。采用这种驱动方式的集成电路有很多。

量子隧道

L/R驱动电路也被称作恒压驱动，因为驱动电路将恒定电压施加于线圈之上。
问题是，产生力矩的是电流而不是电压。
绕组电流与绕组上施加的电压，绕组电感，绕组电阻都有关。
绕组电阻通过欧姆定律决定了绕组的最大电流：I=V/R。
绕组电感L决定了绕组的最大电流变化率：dI/dt=V/L。
于是，当采用了L/R驱动电路后，电机的最大转速就受限于其绕组电感，因为在某个速度之上，V会改变得太快，导致I跟不上。
简单地说，电流的变化速率是L/R（即一个10mH的电感和一个2欧姆的电阻，要花费5毫秒才能达到最大力矩的2/3，24毫秒达到最大力矩的99%）。
为了在高速时获得大力矩，需要高的驱动电压，小的电感和电阻。
L/R驱动电路可以采用高驱动电压，再给线圈串联一个外部电阻，来匹配低压低电阻马达。这会浪费能量，导致发热。尽管简单便宜，这是一种低性能解决方案。

量子隧道

步进电机的性能很大程度上取决于驱动电路。
如果定子磁极的极性能更快速地反转，那么力矩曲线就能向高速端延伸得更远。
限制这个的因素是线圈电感。为了克服线圈电感，更快地切换线圈电流，必须提升驱动电压。
这导致必须采取限流措施。否则这么高的驱动电压会导致过流。

量子隧道

相数多的电机虽然制造成本更高，但倾向于具有更低的振动。
这些电机往往被称为“组合式”，其部件更贵，而且要求轴承质量很高。
尽管贵，但它们的功率密度更高，在合理的驱动电路的配合下更实用。
计算机打印机一般采用组合式步进电机。

yearn3guns

双极线圈的每一相只有一个线圈。为了让磁极的磁场反转，线圈的电流需要反转。这导致驱动电路的复杂化。
一般采用“H”型桥式驱动电路。当然，对有很多驱动芯片这是小菜一碟。
这种电机每一相有两个引出端子。
采用桥式驱动拓扑后，静摩擦现象已经被观察到。
因为线圈的利用率更高，所以在同等重量下，这种电机的功率更大。这是因为两种电机的线圈占用的空间不同。
单极电机在同样的空间中要放下两倍的线圈，但每一时刻只有一半被使用。所以只有50%的效率。（单极电机的输出力矩大约是双极电机的70%）。
尽管双极电机的驱动更加复杂，但是有大量的驱动芯片可用，这说明驱动这种电机其实不难。
一个8腿双极步进电机看起来会很像单极电机，但是管脚在内部并不连接。这种电机有几种接线方法：
1，单极接法；
2，双极串联。线圈电感较大，电流较小。
3，双极并联。需要较大的电流，但性能较好，因为线圈电感较小。
4，双极，但每相只用2个线圈中的一个。这种接法损失了低速力矩，但不需要很大的驱动电流。

yearn3guns

单极电机在每相线圈上有个中心抽头，把线圈分成了2段。各段被激励后磁场方向不同。于是不需要反转电流就可以反转磁场。换向器可以做的比较简单（一段线圈只需要一个晶体管驱动）。
一般来说，中心抽头作为公共端。每相3个接线端，一个两相电机共6个接线端。两个公共端子经常在电机内部被连在一起，于是电机有5个端子。
可以用微控制器或步进电机控制器来驱动马达线圈的驱动晶体管，很简单。这种易用性使得单极电机在爱好者中很受欢迎。这可能是获得精确的角度控制的最便宜的手段了。
对于实验人员来说，若手上是永磁步进电机，绕组线圈可以通过短路端子引出线来区分。如果把同一个线圈的不同端子短路在一起，那么电机轴会变得很难转动。
区分中心抽头还是两端的办法是测量电阻。抽头和端点之间的电阻是两端之间电阻的一半。
快速检验电机是否正常的一个方法是短接每一对端子，然后转动轴，看是否感到阻力变大。如果阻力变大，说明这个相工作正常。）

[ 本帖最后由 yearn3guns 于 2011-10-22 11:53 编辑 ]

yearn3guns

两相步进电机的线圈有两种连接方式：单极和双极。

yearn3guns

步进电机一般有4种：
1，永磁步进电机（可以进一步细分成两种：tin can（量子隧道注：罐头盒？）式，与组合式。tin can式的比较便宜；组合式的轴承质量较好，步进角较小，功率密度较高）
2，组合式同步步进电机
3，可变磁阻步进电机
4，Lavet式（量子隧道注：Lavet估计是人名。Lavet步进电机就是电子表里的电机，定子就是个绕线圈的铁片，在定子上开槽的那种）
永磁步进电机的转子是永磁体，通过转子和定制之间的吸引和排斥来工作。
可变磁阻电机的转子是块软铁，工作原理是，定子转子之间的缝隙最小时，磁阻最小。于是转子的齿总是倾向于对齐定子的齿。
组合式步进电机同时使用这两种方式（永磁和磁阻），可以获得更大的功率密度。

yearn3guns

换老马甲继续

步进电机一般属于开环换向电机，即，驱动器并不知道转子实际所处的位置。
所以，采用步进电机的系统必须在工程上采取过设计。尤其是当负载惯性较大时，或负载变化范围较大时，必须如此。只有这样，马达才不至于出现丢步。
这种过设计，导致系统设计者经常需要在两个选择之间权衡：紧凑但昂贵的伺服系统；或者庞大笨重但便宜的步进电机系统。
步进电机控制器方面的一个新进展是，采用转子位置反馈装置（如编码器或分角器），通过这些器件，换向操作可以获得优化，可以根据转子的实际位置来生成力矩。
这种优化方法实际上把步进电机改造成了一个高极数的无刷伺服电机，而且还同时具备高的低速力矩和位置精确度。
这个技术的更进一步的一种做法是，一般情况下，可以让马达处于开环工作状态；只有当位置误差变得较大时，才进入闭环状态。这可以避免系统进入死锁或振荡状态（伺服系统的大难题）。

量子隧道

因为功率，线圈电感，温度管理等因素，步进电机不能直接被一般的数字电路所驱动。
必须使用类似于“H”桥之类的高功率驱动电路，放置在数字控制器和马达线圈之间。
这个图中的驱动电路还能探测线圈电流。
这是一个线圈的电路。一般的步进电机控制器会有4个类似的H桥电路，控制4个线圈。
而普通直流电机一般只需要控制2个线圈。
发帖限额到了:em12:

[ 本帖最后由 量子隧道 于 2011-10-22 11:44 编辑 ]

量子隧道

1，步进电机是一种“恒功率器件”。
2，转矩随转速增加而减小。大多数步进电机在静止时具有最大力矩。当然，静止时的力矩代表了当马达带载时保持所需位置的能力。
3，使用限流驱动器，提高驱动电压，可以延伸步进电机的力矩曲线（量子隧道注：改善高速转矩）。这种方法有时被称作“斩波驱动电路”。有好几种可用的商用驱动器件可以简单地按照这种方式工作。
4，步进电机比其它种类的电机的震动大。这是由于定子是以一种擒纵式（棘爪式）的工作方式来驱动转子。震动使得它比普通直流马达噪音更大。
5，在某些速率点附近震动会变得很恶劣，可能会使电机失去转矩甚至丢失方向（反转）。原因是，转子被定子的磁场所约束，磁场对转子的吸引力像弹簧一样。每走一步，转子会过冲一下，然后被磁场力拉回来，来回荡秋千，在某个共振频率下振荡。如果驱动频率（从一相切换到另一相的频率）与这个共振频率合拍，那么振动加强，最后马达失步，导致定位误差甚至反转。在最坏情况下，电机完全失去控制，失去保持力矩，轻易地被负载力矩所控制，此时差不多处于自由旋转状态。
6，通过一些方法可以减轻这个效应。就是：
        1，让电机快速加速通过这个有问题的（产生共振的）速度区间。
        2，或者给系统以阻尼（如摩擦阻尼）。
        3，或者使用微步进驱动器。
7，马达的相数越多，运行越平滑。（也可以通过使用微步进驱动器来实现平滑运行）

后面更精彩:em07:

量子隧道

上面那个图是GIF动画，论坛不支持，我只好采用另一种方式上传了。

量子隧道

步进电机与直流有刷马达的运行原理不同。
步进电机具有多个电磁铁，每个电磁铁都带有小齿，这些电磁铁环绕着一个位于中心的，象齿轮一样的铁心。
这些电磁铁被外部的一个控制电路所驱动。
为了让电机轴能旋转起来，首先，需要把一个电磁铁磁化，这样，齿轮（转子）的齿会被电磁铁的齿所吸引，于是转子旋转，让两者的齿对齐。
此时，转子的齿和下一个电磁铁的齿就会稍微有些偏离（略微偏离对齐位置）。
于是，当下一个电磁铁被磁化，第一个被去磁后，转子会再略微旋转一点，对齐下一个电磁铁。
这个过程不断重复。每一个这样的一小点旋转被称为一步。
一整圈旋转包括整数个这样的“步”。
通过这个过程，马达可以被控制，旋转一个精确的角度。

文件名: StepperMotor.gif
描述: StepperMotor.gif
下 载地址: http://www.rayfile.com/files/ba0a3157-fc5c-11e0-946f-0015c55db73d/
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[ 本帖最后由 量子隧道 于 2011-10-22 11:20 编辑 ]

量子隧道

楼主换了个马夹回来了，现在更成新新手了。呵呵。
原文在此：http://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

步进电机是一种无刷电马达，可以把一整圈的旋转运动分割为很多小步。
只要电机的运行环境符合它的规格(量子隧道注：不超载)，在不需要反馈的情况下，电机转子的位置可以被精确地控制（请参考“开环控制器”）。
步进电机类似于“开关磁阻电动机”。
开关磁粗电动机是一种极数较少的步进电机，一般用于闭环控制场合。