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[知识点] 机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（下）

机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（下）

本期内容，主要介绍在自动控制中占有重要地位的一种电机：步进电机。

机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（下）图4

如果说之前介绍的电机的运行过程像是电梯，连续地发力，利用旋转编码器之类进行闭环控制，那么步进电机就是一级一级的楼梯，虽然不连续，但优点在于实现了开环控制，不需要额外的传感器，简化系统结构，只要记录我们控制它走了多少步即可。实际产品中，步进电机一般以1.8°为一步。

步进电机的原理，我将通过一个视频链接帮助大家了解：

https://www.iqiyi.com/w_19s0mzcenl.html

步进电机一般采用二相四线制，即二相线圈，每相均单独引出两个引脚，一共四根线。步进电机必须要用专用的驱动板进行控制，典型的如A4988、DVR8825和TB6600。（图片比例是不一样的，实际上4988和8825体积都非常小，tb6600比他们大很多很多）

从左到右分别为a4988、dvr8825和tb6600.

步进电机的尺寸，及其对性能的影响

步进电机的尺寸主要包括边长和长度，一般可以以边长简称，如42步进、57步进，因为步进电机的边长已经成为了一个标准系列，从28、35、42、57乃至更高都有同样的轴径和安装孔标准。而电机的长度则多种多样，不作介绍。

步进电机的性能主要包括扭矩和转速。由于步进电机生产制造的标准化，其性能主要受其尺寸影响。

扭矩是其最重要的性能参数，直接决定其带负载时的稳定性。扭矩大约与电机边长的二次方*电机高度成正比，意味着电机扭矩受边长影响超过影响的程度。

转速性能主要是指步进电机可以可靠工作的转速上限。由于步进电机结构限制，其扭矩会随着转速的提高而降低；当转速提高到某一临界值时，扭矩会发生断崖式的下降，完全无法工作。其主要受电机边长影响。最常用的42步进电机轻载允许转速一般为300RPM。此处的“轻载”是指中等偏大长度的两台电机驱动直径70mm的车轮以差速方式驱动一台全重2-3kg的小车。

步进电机的驱动

上面说了，步进电机必须用专用驱动板驱动，如4988、8825和6600。

这三款驱动板中，A4988和DVR8825面向边长（因为步进电机截面近似正方形）28mm、35mm和42mm的步进电机，TB6600主要面向42和57步进电机。4988和8825相比，8825的驱动能力更强些，建议在长度40mm及以上的42步进中舍弃A4988。

具体是这样使用的：步进电机驱动板上有两个控制引脚，分别为direction引脚（方向引脚）和step引脚（暂且称为步进引脚）。Step引脚每一次高低电平跳变，电机就走一步，而direction引脚的电平高低决定了这一步走的方向。

步进电机的细分

机械上，步进电机的步距角是1.8°，但往往会需要更小的步距角来实现更精确、更平顺的控制，故而引入了细分的技术。

细分技术的本质，是通过PWM技术在电机引脚上模拟出正弦电压来替代原有单纯的高低电压，从而在步距角间获得过渡，获得更精确、平顺的控制效果。一般可选2细分、4细分、8细分、16细分等。这一技术在3D打印机上有广泛的应用。

使用经验

我曾经设计制造过一台以步进电机为主要驱动力的机器，还算有一定经验，在此分享给大家。

步进电机本质上是一种无刷内转子电机，特点是给多少脉冲走多少步，完全开环控制。相比其他无刷电机，步进电机在同功率下拥有更高的扭矩和定位能力，所以可以实现纯开环。但这种高扭矩、强定位也是有限度的，负载过大、转速过高时这种定位能力就会减弱甚至消失，造成“丢步”，也就是转子跟不上换向速度的情况；如何使用步进电机，其实就是如何避免丢步。

步进电机使用最广泛、最便宜的就是42步进，比赛选手们大多也选用这个尺寸的步进电机。注意不要让其工作在300rpm以上的转速，即使是极轻载也要保证在450rpm以下。至于550rpm以上的转速，空载都上不去的……

选用较长的电机可以部分弥补转速提高导致的丢步，适当增加电压也可以，但只能作为转速低于450rpm时的辅助手段。

轻载时，步进电机可以直接输入目标频率的脉冲（当然不能太高），其完全可以在带着载荷的情况下完成“一步加速”——这也是大多数机器人比赛中应用步进电机的场合。当载荷较大时需要慢慢加速，一般在几个步距角内完成加速，但这种情况很少见。像3D打印机上也基本没有肉眼可见的加速曲线。

最后，我要提醒大家，步进电机不是合适的功率型执行机构。步进电机的优点在于其方便且精确的控制，低廉的经济和设计成本（因为较高的扭矩可以实现电机直驱），但其功率密度很低很低，高速性能也非常差——这是其实现方便有效的开环控制的代价。同样重量的步进电机和直流电机，步进的功率甚至不到直流电机的1/3。如果使用步进电机，那就意味着功率-，重量+，但设计成本和经济成本会好非常多，比较建议新手在需要精确控制的场合使用。