《從零開始的3d打印機(jī)制作》 @青年創(chuàng)造攻防十二

介紹0.2臺(tái)零件

0.2.2電動(dòng)機(jī)型號(hào)簡(jiǎn)介| |步進(jìn)電動(dòng)機(jī)|無刷電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電機(jī)(Stepper motor)；Step motor)是一種直流無刷電機(jī)，可以為齒輪型突起(小牙齒)等粘著的精子和轉(zhuǎn)子切換流向定子線圈的電流，以一定角度逐步旋轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。也就是說，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角、步距角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。

　　永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；

　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為0.75度。輸出轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速也比較高。這種電機(jī)，在機(jī)床上是用較多。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相、三相、四相和五相：兩相（四相）步距角一般為1.8度，三相步距角通常為1.2度，而五相步進(jìn)角多為0.72度。目前，混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

步進(jìn)電機(jī)的特征是采用開回路控制（Open-loop control）處理，不需要運(yùn)轉(zhuǎn)量檢知器（sensor）或編碼器，且切換電流觸發(fā)器的是脈沖信號(hào)，不需要位置檢出和速度檢出的回授裝置，所以步進(jìn)電機(jī)可正確地依比例追隨脈沖信號(hào)而轉(zhuǎn)動(dòng)，因此就能達(dá)成精確的位置和速度控制，且穩(wěn)定性佳。

電機(jī)構(gòu)造從屬種類

永久磁鐵型（permanent magnet type）

可變磁阻型（variable reluctance type）

復(fù)合型（hybrid type）

步進(jìn)馬達(dá)的基本構(gòu)成

控制器：發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令，傳送需求速度以及運(yùn)轉(zhuǎn)量的指令脈波信號(hào)。需使用步進(jìn)馬達(dá)專用控制器或可編程控制器的定位模組。傳送的運(yùn)轉(zhuǎn)指令脈波信號(hào)有如心臟跳動(dòng)般的呈現(xiàn)矩形的波形，是間斷性的發(fā)出信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)器：提供電力以保證馬達(dá)按指令運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)隨控制器傳送來的脈波信號(hào)來控制電力，由決定的電流流通順序的來激磁回路，并控制提供給馬達(dá)的電力以驅(qū)動(dòng)回路

馬達(dá)本體：將電力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，并按指令需求脈波數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

主要特征

步進(jìn)馬達(dá)只需要通過脈波信號(hào)的操作，即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)高精度的定位，并使工作物在目標(biāo)位置高精度地停止。步進(jìn)馬達(dá)是以基本步級(jí)角的角度為單位來進(jìn)行定位。以4相步進(jìn)馬達(dá)為例，其基本步級(jí)角為0.9，因此可以將馬達(dá)轉(zhuǎn)1圈分為400等分（=360度 / 0.9），以此方式來細(xì)分每次行進(jìn)量做為定位基準(zhǔn)。

選用特點(diǎn)

在步進(jìn)馬達(dá)的選用上必須注意以下幾點(diǎn)：

步進(jìn)角：亦即步進(jìn)馬達(dá)之分辨率（此指1脈波的移動(dòng)量），步進(jìn)馬達(dá)的步進(jìn)角就是依馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈（360°）而分割成多少來決定。

轉(zhuǎn)動(dòng)速度：亦即脈波輸入速度（pulse/s）。

轉(zhuǎn)矩：選擇步進(jìn)馬達(dá)時(shí)，需以有負(fù)荷時(shí)之最大轉(zhuǎn)矩（kg-m）的1.5倍~2倍來決定。

負(fù)荷慣性慣量：依據(jù)使用場(chǎng)合計(jì)算負(fù)荷慣性慣量，再依步進(jìn)馬達(dá)規(guī)格表，選擇容許負(fù)載慣性慣量需大于計(jì)算值之1.3倍以上。

驅(qū)動(dòng)器：連接控制器或直接接受外部訊號(hào)，進(jìn)而控制步進(jìn)馬達(dá)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器將直接影響步進(jìn)馬達(dá)的性能表現(xiàn)。

搭配減速機(jī)：使用減速機(jī)型步進(jìn)馬達(dá)可達(dá)到減速、提高轉(zhuǎn)矩、提高分辨率、降低施加于馬達(dá)軸之負(fù)荷慣性慣量、改善起動(dòng)與停止時(shí)的阻尼特性，進(jìn)而降低運(yùn)轉(zhuǎn)之振動(dòng)。

下面將介紹3種勵(lì)磁模式

全步模式

所謂全步模式，就是依據(jù)電機(jī)固有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定的步距角工作，一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一個(gè)步距角。這個(gè)步距角是電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所決定的，也可以理解為電機(jī)以最大的步距角旋轉(zhuǎn)。

半步模式

半步模式是以電機(jī)固有的結(jié)構(gòu)決定的步距角的一半角度進(jìn)行步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。如下圖所示，步進(jìn)電機(jī)的總極數(shù)是4級(jí)，對(duì)應(yīng)的步距角是90度，那么半步模式下，步進(jìn)電機(jī)每個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)45度。

微步模式

微步模式類似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的細(xì)分。對(duì)應(yīng)的步進(jìn)角度就是在整步步距角乘以微步系數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，需要的加工精度會(huì)越高，對(duì)應(yīng)的微步時(shí)的步進(jìn)角度的誤差會(huì)越大。

電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它有脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。如下圖所示。

驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電機(jī)直接耦合，也可以理解成步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。下面將使用MCU和分離元器件的系統(tǒng)舉例說明。MCU相當(dāng)于是控制電機(jī)的大腦，它向分立器件發(fā)送電機(jī)的步距角時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和重復(fù)次數(shù)等，而分立器件根據(jù)MCU發(fā)出的信號(hào)，將放大電壓和電流并將其發(fā)送至電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

如上圖所示，該系統(tǒng)使用了MCU和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器IC。從輸入控制信號(hào)來區(qū)分，步進(jìn)電機(jī)控制器IC可以分為相入力型和時(shí)鐘入力型。相入力型是指電機(jī)的每個(gè)勵(lì)磁相的電流方向由輸入信號(hào)控制，而時(shí)鐘入力型是指電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由脈沖信號(hào)來控制。

相入力型

相入力型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要A和B兩相的控制信號(hào)，只需要時(shí)鐘信號(hào)，需要控制信號(hào)的MCU做更多的運(yùn)輸工作。

時(shí)鐘入力型

時(shí)鐘入力型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制接口，需要時(shí)鐘信號(hào)（單脈沖信號(hào)）輸入，其控制信號(hào)相對(duì)簡(jiǎn)單，MCU的資源占用較少。

42BYG/17HS步進(jìn)電機(jī)

42步進(jìn)電機(jī)指步進(jìn)電機(jī)的尺寸，混合式步進(jìn)電機(jī)一般是方形的，法蘭外框尺寸是42mm*42mm；永磁式步進(jìn)電機(jī)一般是圓形的，電機(jī)機(jī)身外徑是42mm。17HS是英制尺寸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，就是42機(jī)座號(hào)的混合式步進(jìn)電機(jī)，等同于國(guó)內(nèi)的42BYG步進(jìn)電機(jī)。
一秒多少步是指脈沖頻率，脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。
一步多少度是指步距角，也是步進(jìn)電機(jī)的分辨率，混合式一般1.8°，永磁式常見7.5°，15°，18°等。

現(xiàn)在市面上比較常見的混合式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)有20/25/28/35/36/39/42/57/60/86/110/130等

無刷電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是無刷電機(jī)的一種，但日常中無刷電機(jī)常被特指用于航空模型上的動(dòng)力電機(jī)，并且已有無刷電機(jī)用于3d打印機(jī)動(dòng)力部分的驗(yàn)證，所以也單獨(dú)介紹一下。

無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級(jí)的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。

無刷電機(jī)和有刷電機(jī)的對(duì)比如下所示：

有刷電機(jī)缺點(diǎn)

（1）摩擦大，損耗大

老模友們?cè)谝郧巴嬗兴㈦姍C(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問題，那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機(jī)整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會(huì)退磁的，使電機(jī)性能下降，影響有刷電機(jī)的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題，很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機(jī)的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）無電刷、低干擾

無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

（2）噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無刷電機(jī)沒有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。

（3）壽命長(zhǎng)，低維護(hù)成本

少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對(duì)于有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪里了，但是萬事都不是絕對(duì)的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

其他區(qū)別

（1）適用范圍：

無刷電機(jī)：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模，精密儀器儀表等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。

碳刷電機(jī)：通常動(dòng)力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī)，如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動(dòng)機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等，另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機(jī)。

（2）使用壽命：

無刷電機(jī)：通常使用壽命在幾萬小時(shí)這個(gè)數(shù)量級(jí)，但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。

碳刷電機(jī)：通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí)，到達(dá)使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

（3）使用效果：

無刷電機(jī)：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

碳刷電機(jī)：舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會(huì)比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對(duì)而言，無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

（5）日后維修方面：

碳刷電機(jī)需要更換碳刷，如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞，而無刷電機(jī)，使用壽命很長(zhǎng)，通常是有刷電機(jī)的10倍以上，但是壞了就需要更換電機(jī)，但日常維護(hù)基本不需要。

（6）噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān)，主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，除了外形尺寸（外徑、長(zhǎng)度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值，這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。

*K V額定值可以告訴一個(gè)電動(dòng)機(jī)可以旋轉(zhuǎn)多少RPM。例如，如果一個(gè)11.1V電池為3500K V電動(dòng)機(jī)供電，則電動(dòng)機(jī)的最高RPM將為3500 X 11.1 = 38,850 RPM。僅當(dāng)電動(dòng)機(jī)上沒有負(fù)載時(shí)才能達(dá)到該速度。所有電動(dòng)機(jī)的最高速度都以相同的方式受到限制。當(dāng)電樞被磁體排斥或吸引到由電動(dòng)機(jī)中的線狀線圈產(chǎn)生的臨時(shí)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的磁體也會(huì)在線圈中感應(yīng)出自己的電壓（稱為反電動(dòng)勢(shì)）。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)等于輸入電壓時(shí)，達(dá)到最高速度。

如需查看驅(qū)動(dòng)方法請(qǐng)看我們之前的文章

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