关于步进电机的一切

什么是步进电机?

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步进电机是以不连续的步进移动的直流电机。 他们有多个线圈组织在称为“相”的组里。通过依次给每相励磁,电机将旋转, 每次一步。

通过计算机控制的步进,可以实现非常精确的定位和/或速度控制。因此,步进电机是许多精密运动控制应用的首选电机。

步进电机有许多不同的尺寸和样式和电气特性。 本指南详细说明你应该如何选择正确的电机。

4相单极电机

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步进电机的优点

▪  可用于定位场合 – 由于步进机以精确的可重复步骤移动,它们在卓越应用中需要精确定位,如3D打印机,CNC,相机平台和X,Y 绘图仪。一些磁盘驱动器还使用步进电机来定位读/写头。

▪ 精确的速度控制 – 精确的移动增量也允许对过程自动化和机器人的旋转速度进行出色的控制。

▪低速时能保持大扭矩 – 正常的直流电机在低速时不具有很大的扭矩。一个步进电机在低速时具有最大转矩,因此它们是一个对于需要低速度,高精度应用不错的选择。

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步进电机的局限性

▪ 低效率 – 与直流电机不同,步进电机电流消耗独立于负载。.当他们空载时,他们得到的电流最多。正因如此,它们常常运行发热。

▪ 有限的高速扭矩 -一般来说,步进电机在高速时比低速具有较小的转矩 。一些步进器被优化以获得更好的高速性能 ,是它们需要与适当的驱动程序配对以实现该性能 。

▪ 没有反馈 – 与伺服电机不同,大多数步进器没有积分反馈位置。虽然可以实现运行“开环”的高精度。限位开关或通常为了安全和/或建立参考位置需要“本部”检测器。

步进电机类型

有各种各样的步进电机类型,其中一些需要非常专业的驱动程序。为了我们的目的,我们将重点介绍可用普通驱动器驱动的步进电机。它们是:永磁式或混合式步进电机,两相双极或四相单极

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电机尺寸

首先要考虑的事情之一是电机必须做的工作。正如你所期望的,更大电机能够提供更多的功率。步进电机的尺寸范围从比花生较小到大如NEMA 57的怪物。

大多数电机具有额定转矩。这是你需要看看决定电机是否有足够的力矩做你想要的。

NEMA 17是用于3D打印机和小型数控铣床的常用尺寸。更小的电机找到应用于许多仿生机械上。较大的NEMA框架在CNC机床和工业应用中是常见的。

NEMA数字定义了用于安装电机的标准面板尺寸。他们不定义电机的其他特性。两个不同的NEMA 17电机可能有完全不同的电气或机械规格,并且不一定可互换。

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步骤计数

接下来要考虑的是您需要的定位分辨率。每步的步数转速范围为4至400。常用的步数为24,48和200。

分辨率通常表示为每步的度数。 1.8°电机与200步/转电机相同。

高分辨率的牺牲是速度和扭矩。高步进电机比相同尺寸下的RPM低于最大值。与这些类似尺寸的低速计数电机相比,转动这些电机所需的更高的步进速度导致更低的转矩。

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齿轮

实现高定位分辨率的另一种方法是使用齿轮传动。 一个32:1齿轮系应用于 8步/转电机的输出将产生512步电机。

齿轮系还将增加电动机的扭矩。 一些微小的齿轮步进器是能够产生令人印象深刻的扭矩。 但是权衡当然是速度。 齿轮式步进电机通常受到限制去低转速应用。

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轴样式

另一个要考虑的是如何电机将与驱动系统的其余部分接口。电机有多种轴类型

▪圆形或“D”轴:这些有多种标准直径,还有许多滑轮,齿轮和轴耦合器来配合设计。 “D”轴有一个扁平侧以帮助防止滑动。当涉及运用高扭矩时,这些轴形是我们能用到的

▪齿轮轴:一些轴具有磨入其中的齿轮齿。这些通常设计成与模块化齿轮系匹配丝杠轴

▪丝杠轴: 带有丝杠轴的电机用于构建直线执行器。这些的微型版本可以在许多磁盘驱动器中作为磁头定位器。

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接线

步进电机接线有许多变化。为了我们的目的,我们将专注于可以使用常用驱动程序驱动的步进器。这些是连接为2相双极或4相单极的永磁或混合步进电机。

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线圈和相位

步进电机可以具有任何数量的线圈。但是这些被以称为“相”的组连接。一相中的所有线圈被一起激发。

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单极与双极

单极 驱动器,总是以相同的方式给相位通电。 一个领导,“共同”领导,将总是负数。 另一个引线将始终为正。 可以实现单极驱动器 与简单的晶体管电路。 缺点是只有较低的扭矩 可以一次对一半线圈通电。

双极 驱动器使用H桥电路实际上反转通过相的电流。通过使极性交替地对相进行通电,可以使所有线圈工作以转动电动机

电机具有2组线圈。 4相单极电机具有4.两相双极电机将具有4个电线 – 每相2个。一些电机带有灵活的接线,允许您将电机作为双极或单极运行。

5-Wire Motor

This style is common in smaller unipolar motors. All of the common coil wires are tied together internally abd brought out as a 5th wire. This motor can only be driven as a unipolar motor.

6-Wire Motor

This motor only joins the common wires of 2 paired phases. These two wires can be joined to create a 5-wire unipolar motor.

Or you just can ignore them and treat it like a bipolar motor!

8-Wire Motor

The 8-wire unipolar is the most versatile motor of all. It can be driven in several ways:

  • 4-phase unipolar – All the common wires are connected together – just like a 5-wire motor.
  • 2-phase series bipolar – The phases are connected in series – just like a 6-wire motor.
  • 2-phase parallel bipolar– The phases are connected in parallel. This results in half the resistance and inductance – but requires twice the current to drive. The advantage of this wiring is higher torque and top speed.

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驱动步进电机

Step in time, step in time
Come on, mateys, step in time
Step in time
Step in time, step in time
Step in time, step in time
Never need a reason, never need a rhyme
We step in time, we step in time

“Step In Time”
Robert B. Sherman and Richard M. Sherman

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驱动步进电机比驱动普通有刷直流电机复杂一些。步进电机需要步进控制器以及时地对相进行通电以使电机转向

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简单单极驱动器

最简单的驱动器类型可以用少量晶体管构建。 这些按顺序简单地接通和断开,以使相位通电并使电动机步机进。 单极驱动器的构建相对便宜,但只能使用单极电机。 在Arduino官网有一个很好的教程教你如何使用。

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简单的双H桥驱动器

驱动双极电机需要两个完整的H桥,因此它可以反转到相的电流。H桥可能很难从头开始构建。但是有很多H桥芯片可以简化任务。

L293D是最受欢迎和最经济的芯片之一。这些可以在大多数第一代Motor Shield的核心中发现,包括令人难以置信的流行的V1 Adafruit Motor Shield。

在Adafruit学习中有一个关于使用裸L293D和Arduino系统的优秀教程:

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Adafruit Motor Shield V2

Adafruit Motor Shield V2是基于L293D的基本控制器的一大进步。 V2 shield u使用两个TB6612 MOSFET驱动器 。与L293D相比,TB6612提供两倍的电流容量和更低的电压下降,来更有效地驱动你的步进电机。

有2个驱动器芯片和4个完整的H桥,每个shield可以驱动多达两个步进电机。驱动器芯片通过专用的PWM驱动器芯片与I2C接口连接。 这释放了很多 的GPIO引脚用于其他用途,并使屏蔽层也可堆叠。你最多可以叠加32个用2个IO引脚来控制64个电机!

此驱动程序的完整细节可以在学习系统中找到。

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高级CNC控制器

gShield和TinyG CNC控制器板使您更接近工业级步进器的性能。这些电路板具有恒流“斩波器”驱动器,可以调节,来为电机提供最大的扭矩和速度。

TinyG CNC具有板载G代码解释器和4个电机输出,使其成为适用于中小型4轴CNC机床的完整嵌入式解决方案。

正如您所期望的,这些高级的高性能主板比较复杂,适合有经验的用户使用。

这些板及其操作的详细信息可以在TinyG WikiSynthetos Forums中找到。

 

选择合适的驱动代码驱动步进电机

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现在我们来到最重要的部分:确保您的电机和驱动程序兼容。

不匹配的电机和驱动器可能会导致令人失望的性能。 或更糟:损坏电机和/或控制器。

如果你的选择不明智,你可能会遇到这个家伙:

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了解驱动程序规格

驱动程序规范中的两个最重要的参数是:

▪ 电压 – 驱动器可以提供给电机的最大电压。

▪ 持续电流 – 驱动器可以提供给电机的最大电流。

额定的“峰值”电流不适用于步进电机。 始终遵循“持续”电流的额定值。

了解电机规格

您还需要知道电机的电气规格。 有2个关键参数:

▪ 每相的电流 – 这是电机绕组可以处理而不过热的最大电流。

▪ 每相电阻 – 这是每相的电阻

A通常表示额定电压。它通常从上面的两个参数计算,但不总是。 最好根据上述参数使用欧姆定律计算它。

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遵守定律!

步进电机的相是电感器,因此它们会抵抗电流的快速变化。 但是在每个步骤结束时或者当电机不运动时,它们表现得像纯电阻负载,并且会遵守欧姆定律.。

静止也就是步进电机吸收最大电流时。 所以欧姆定律可以让我们使用电机规格来计算驱动器的电流要求。

电压=电流x电阻

或者

电流=电压/电阻

这些公式应严格应用于所有“恒压”步进控制器。 这包括来自Adafruit的V1和V2 Motor Shields,以及几乎所有其它基于L293D的控制器。

但是一些电机具有非常低的线圈电阻。严格遵循这些公式,驱动电压将小于5v,性能会不好。这种类型的电机与恒压驱动器不匹配。这些步进器需要更专门的控制器。

违背定律?

这不可能违背欧姆定律。如果你尝试,你将必须被回答蓝烟怪物。 然而,这里还有一些其他规律在起作用。 洛伦兹,法拉第和欧姆定律的专业知识可以帮助您提高电机的性能。

步进线圈在被通电时产生磁场。 根据法拉第定律,变化的磁场在线圈中感应出电流。 根据洛伦兹定律,该电流将在产生电场的电流的相反方向上。 该反向电流被称为“反向电动势”或“反向电动势”。

这个反电动势增加了线圈的“阻抗”或有效电阻。 所以欧姆定律仍然适用 – 但这是对这个阻抗,而不是简单的相电阻。 该阻抗限制每个步骤开始时流过线圈的电流。

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斩波传动

斩波器“恒定电流”驱动通过以更高的电压驱动电机来补偿反电动势。 使用斩波器驱动几倍步进电机的额定电压的是不寻常的。

为了在这些较高的电压下保持安全,斩波器驱动器还监测输送到电动机的电流,并在它超过预设电平之前“斩断”它。

通过在更高的电压处开始,斩波器驱动器能够在步骤开始时向线圈输送更多的电流,增加可用转矩。 除了以较慢的速度增加扭矩之外,它还允许更高的最高速度。

选择斩波器驱动器并为特定电机配置它需要很好地了解电机和控制器。

常问问题

这个电机能和我的shield一起工作吗?

您需要知道电机规格以及控制器规格。 获取该信息后,请检查“将驱动程序与步进器匹配”页面,查看它们是否兼容。

这是一个NEMA 17,所以它应该工作,对吧?

NEMA框架尺寸标准仅定义安装面板的尺寸。 要确定它是否兼容,您需要知道电机的电气规格。

如果没有电机规格怎么办?

参见Jason的反向工程步进电机电线引脚。 这将告诉你相电阻。 对于相电流,您可以基于类似设计的电机和类似的相电阻进行估计。

当有疑问时,一般最好安全地使用较低的电流!

我的项目需要什么尺寸的电机?

大多数电机具有扭矩规格 – 通常为英寸/盎司或牛顿/厘米。 一英寸/盎司意味着电动机可以从轴的中心在一英寸处施加一盎司的力。 例如,它可以使用2“直径滑轮保持1盎司。

在计算项目所需的扭矩时,请确保允许加速所需和克服摩擦的额外扭矩。 将质量块从静止位置提升所需的扭矩要比将其简单地拿着更大。

.如果你的项目需要大扭矩和不高速度,考虑一个齿轮步进。

如何将我的电机连接到Motor Shield?

对于从Adafruit购买的电机,产品说明中列出了接线说明。

对于其他电机,如果可以,请检查电机规格表。

如果你没有规格表,检查Jason反向工程步进电机电线引脚

这个电源可以与我的电机工作吗?

首先确保它不超过电机或控制器的额定电压。通常可以在较低的电压下运行电机,但是你将获得较小的扭矩。

接下来,检查电流额定值。大多数步进模式一次为两相通电,因此电流额定值应至少为电机每相电流的两倍。

*这适用于恒压驱动器。 对于斩波驱动控制器,请检查控制器的说明。

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资源

网上有很多优秀的有关步进电机的信息。 这里有一些我们最喜欢的链接:

Wikipedia Stepper Motor Page

RepRap Stepper Motor Page

Jones on Stepper Motors

Jason on reverse engineering the stepper wire pinouts

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本文由翻译美国开源硬件厂商Adafruit(阿达水果公司)的相关教程翻译,原始教程由Bill Earl编写,为便于理解和方便读者学习使用,我们已去函与原作者沟通关于本教程翻译中文并发布的相关使用权限,部分内容为适应国内使用场景稍有删改或整合,以上翻译内容仅用于学习交流分享,不得用于盈利等商业用途。

原始文章及相关素材链接:

https://learn.adafruit.com/all-about-stepper-motors/what-is-a-stepper-motor

        
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