關(guān)于步進(jìn)電機(jī)你需要知道的一切

高可靠性步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)大能力

步進(jìn)電機(jī)常被誤認(rèn)為是伺服電機(jī)中的次要電機(jī)，但事實(shí)上，它們與伺服電機(jī)一樣具有很高的可靠性。電機(jī)通過(guò)與控制器向驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖信號(hào)精確同步而運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的定位和速度控制。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有高扭矩和低振動(dòng)的特點(diǎn)，非常適合需要短距離快速定位的應(yīng)用。

“步進(jìn)電機(jī)?伺服電機(jī)性能肯定更好?！?當(dāng)被問(wèn)及步進(jìn)電機(jī)時(shí)，這是一個(gè)典型的回答。顯然，對(duì)步進(jìn)電機(jī)存在重大誤解。事實(shí)上，步進(jìn)電機(jī)已用于各種類(lèi)型的應(yīng)用，例如高級(jí)設(shè)備和可訪(fǎng)問(wèn)的自動(dòng)化儀器。本文解釋了連續(xù)選擇步進(jìn)電機(jī)的原因。有的讀者可能會(huì)說(shuō)，他們從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)已在許多應(yīng)用和行業(yè)中用作需要高精度控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)解決方案，例如工廠(chǎng)自動(dòng)化 (FA)、半導(dǎo)體制造設(shè)備、FPD 和太陽(yáng)能電池板、醫(yī)療設(shè)備、分析儀器、精密平臺(tái)、金融系統(tǒng)，食品包裝機(jī)，

為什么要使用步進(jìn)電機(jī)?

易于使用：34%

便宜：17%

操作簡(jiǎn)單：16%

無(wú)需調(diào)校：12%

其他：21%

*受訪(fǎng)人數(shù)：258(可多選)/東方電機(jī)研究

重點(diǎn)：易用性、操作簡(jiǎn)單、成本低

根據(jù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)用戶(hù)的調(diào)查，很多人青睞步進(jìn)電機(jī)的“使用方便”、“操作簡(jiǎn)單”、從結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置上衍生出來(lái)的“成本低”。由于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置，許多用戶(hù)在步進(jìn)電機(jī)中發(fā)現(xiàn)這些積極的方面是有道理的。然而，一些讀者可能會(huì)懷疑電機(jī)在精度和扭矩方面的實(shí)際性能。除非有與伺服電機(jī)等其他控制電機(jī)的比較示例，否則很難完全掌握整個(gè)想法。通過(guò)了解特性并根據(jù)所需操作采取不同的方法，步進(jìn)電機(jī)當(dāng)然可以降低設(shè)備成本。步進(jìn)電機(jī)的特性和技術(shù)資料說(shuō)明如下：

令人印象深刻的“停止精度”。在“低/中速范圍”快速移動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)具有出色的停止精度，可以進(jìn)行開(kāi)環(huán)精確控制。例如，當(dāng)使用RK II 系列定位旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)時(shí)，其停止精度在±0.05°以?xún)?nèi)(無(wú)負(fù)載)。由于停止位置誤差不會(huì)在步驟之間累積，因此可以進(jìn)行高精度定位。無(wú)需編碼器的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)允許簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和低成本。

第 1 點(diǎn)

驚人的停止準(zhǔn)確性

例如，將步進(jìn)電機(jī)的停止精度±0.05°轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)時(shí)：

工作條件：

? 電機(jī)：RK II 系列

? 滾珠絲桿導(dǎo)程：10mm

停止精度：±1.4μ m

通常，研磨滾珠絲杠類(lèi)型的精度為 ±10μ m。當(dāng)使用滾珠絲杠類(lèi)型時(shí)，其精度下降到 ±20μ m，這表明步進(jìn)電機(jī)的停止精度遠(yuǎn)高于滾珠絲杠類(lèi)型。

低/中速范圍內(nèi)的高扭矩是步進(jìn)電機(jī)的另一大特點(diǎn)。伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)之一是在中高速范圍內(nèi)產(chǎn)生平坦的扭矩。伺服電機(jī)適用于長(zhǎng)行程操作(多轉(zhuǎn))。另一方面，步進(jìn)電機(jī)的扭矩特性并不平坦。低/中速范圍內(nèi)的扭矩曲線(xiàn)趨于變得非常高，而在高速范圍內(nèi)變得非常低。除了伺服電機(jī)難以在低速范圍內(nèi)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)外，步進(jìn)電機(jī)還可以在短行程操作(較少旋轉(zhuǎn))所需的速度范圍內(nèi)提供高扭矩，因此它們適用于選擇所需的步距角進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)表和點(diǎn)動(dòng)應(yīng)用程序。這是由于短行程操作的定位時(shí)間短，因此電機(jī)在達(dá)到最大速度之前減速并停止。換句話(huà)說(shuō)，通常不需要高速特性。

高響應(yīng)性和出色的同步性

步進(jìn)電機(jī)的第三個(gè)顯著特點(diǎn)是反應(yīng)靈敏。向電機(jī)發(fā)送單向命令的開(kāi)環(huán)控制具有對(duì)命令的高度跟隨機(jī)制。等待編碼器反饋的伺服電機(jī)往往會(huì)“延遲”命令，而步進(jìn)電機(jī)則與脈沖同步運(yùn)行。因此，“延遲”很少，從而產(chǎn)生出色的響應(yīng)。因此，步進(jìn)電機(jī)適用于需要多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行的應(yīng)用。一個(gè)例子是電路板傳送應(yīng)用，它需要兩個(gè)傳送帶，分別安裝一個(gè)電機(jī)，以在兩個(gè)傳送帶之間傳送電路板。

要點(diǎn) 2

出色的低速/中速范圍!

例：機(jī)座號(hào)85mm的電機(jī)在1000r/min時(shí)的扭矩相當(dāng)于400W伺服電機(jī)的額定扭矩。

在更低的速度范圍內(nèi)，扭矩最高可達(dá) 5 倍。對(duì)于短距離定位，在低速/中速范圍內(nèi)具有高扭矩是必不可少的。

要點(diǎn) 3

高響應(yīng)性!

合適的應(yīng)用

除了頻繁啟動(dòng)和停止的微動(dòng)應(yīng)用之外，步進(jìn)電機(jī)還適用于不喜歡振動(dòng)的圖像檢查處理器的定位、伺服電機(jī)難以調(diào)整的凸輪驅(qū)動(dòng)以及皮帶驅(qū)動(dòng)等低剛性機(jī)構(gòu)。此外，通過(guò)將滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)更換為皮帶驅(qū)動(dòng)，成本顯著降低。

強(qiáng)大功能的優(yōu)勢(shì)

除了降低成本，步進(jìn)電機(jī)在性能方面還有很多優(yōu)勢(shì)。下表顯示了 RKII 系列示例的轉(zhuǎn)換扭矩到典型伺服功率范圍的扭矩。再往下，介紹步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用實(shí)例等詳細(xì)信息，了解更多步進(jìn)電機(jī)信息。

步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

運(yùn)作與架構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)以固定的步距角旋轉(zhuǎn)，就像時(shí)鐘的秒針一樣。得益于電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)開(kāi)環(huán)控制進(jìn)行高精度定位。

準(zhǔn)確定位(步數(shù))

在完全控制旋轉(zhuǎn)和速度的同時(shí)，無(wú)需使用電機(jī)內(nèi)的編碼器等電氣元件即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。因此，步進(jìn)電機(jī)非常堅(jiān)固，可靠性高，故障率極低。至于停止精度，±0.05°(沒(méi)有累積螺距誤差)是非常準(zhǔn)確的。由于步進(jìn)電機(jī)的定位采用開(kāi)環(huán)控制，由磁化定子和小齒磁轉(zhuǎn)子運(yùn)行，因此步進(jìn)電機(jī)對(duì)指令的跟隨機(jī)制比伺服電機(jī)高。此外，停止步進(jìn)電機(jī)時(shí)不會(huì)發(fā)生振蕩。它們?cè)趧傂缘偷钠鲃?dòng)中也很出色。

用于速度控制和位置控制

當(dāng)脈沖通過(guò)脈沖發(fā)生器輸入到驅(qū)動(dòng)器時(shí)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸入脈沖的數(shù)量進(jìn)行定位。5相步進(jìn)電機(jī)的基本步距角為0.72°，2相步進(jìn)電機(jī)為1.8°。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由提供給驅(qū)動(dòng)器的脈沖頻率(Hz)的快慢決定，只需改變驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖數(shù)或頻率，即可自由改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)不僅可以作為位置控制電機(jī)，還可以作為高同步的速度控制電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)用途：

? 固定步距角的高頻重復(fù)定位

? 寬度調(diào)整等需要較長(zhǎng)停止時(shí)間的定位

? 波動(dòng)負(fù)載和剛性變化

? 分割1周期的定位

? 需要同步運(yùn)行的電機(jī)軸

操作系統(tǒng)

無(wú)需傳感器或反饋的簡(jiǎn)單控制

由于可以在與指令脈沖數(shù)和速度同步的同時(shí)進(jìn)行精確定位和位置控制，因此不需要傳感器等用于定位的設(shè)備。因此，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單。如果不需要插值運(yùn)算等高級(jí)控制，建議使用內(nèi)置控制器功能型驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)消除控制器(例如脈沖發(fā)生器和 PLC 定位模塊)來(lái)降低成本。

內(nèi)置傳感器閉環(huán)型

雖然開(kāi)環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)高精度定位，但如果出現(xiàn)問(wèn)題怎么辦?為了避免此類(lèi)缺陷，可以使用編碼器型或內(nèi)置傳感器閉環(huán)控制型電機(jī)(AR 系列)。

能否進(jìn)一步降低成本?

設(shè)計(jì)工程師的共同問(wèn)題是降低成本。真的沒(méi)有辦法進(jìn)一步降低成本嗎?以滾珠絲杠機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了提高規(guī)格并降低成本的試驗(yàn)。下面解釋測(cè)試的細(xì)節(jié)：

使命

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1. 進(jìn)一步提高速度

2. 進(jìn)一步降低成本

【原計(jì)劃設(shè)備的條件】機(jī)構(gòu)：滾珠絲杠+伺服電機(jī) 右圖的負(fù)載、速度和導(dǎo)程等條件是根據(jù)安裝的伺服電機(jī)確定的用滾珠絲杠和鋼板。

計(jì)劃

將機(jī)構(gòu)更改為皮帶輪

? 如果試圖提高速度，滾珠絲杠 => 皮帶機(jī)構(gòu)可能更合適 => 皮帶機(jī)構(gòu)可以達(dá)到 1000 毫米/秒至 1500 毫米/秒。如果定位精度沒(méi)有問(wèn)題，請(qǐng)更換皮帶。? 如果可以更換皮帶，可顯著降低成本 => 皮帶價(jià)格便宜，但其低剛性可能會(huì)影響伺服電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，即使使用自動(dòng)調(diào)整也是如此。

問(wèn)題

1. 螺桿和皮帶的停止精度差異...需要多大的停止精度?

2. 低剛度的影響... 對(duì)穩(wěn)定時(shí)間的影響，避免調(diào)整問(wèn)題

? 更好的螺桿停止精度。換腰帶沒(méi)問(wèn)題?=> 應(yīng)用要求的止動(dòng)精度為±0.05 ~ 0.1mm，不如絲桿止動(dòng)精度。所以用皮帶代替應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。

? 如果更換為皮帶，機(jī)構(gòu)的剛性會(huì)降低，因此伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得不穩(wěn)定。=> 在定位電機(jī)中，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有內(nèi)置編碼器。因此，它們不需要調(diào)整并且對(duì)低剛性有很強(qiáng)的抵抗力。無(wú)論負(fù)載波動(dòng)如何，它們的運(yùn)動(dòng)都是穩(wěn)定的。如果輸出相同，請(qǐng)考慮步進(jìn)電機(jī)。

估計(jì)

機(jī)構(gòu)：皮帶輪+電機(jī)：嘗試使用步進(jìn)電機(jī)

? 可運(yùn)輸質(zhì)量-> 最大。最大允許負(fù)載 7kg ? 行駛速度 -> 提高到 800 mm/sec 電機(jī) => 從步進(jìn)電機(jī)改為伺服電機(jī)，成本降低了 50%!機(jī)構(gòu) => 從滾珠絲杠改為皮帶機(jī)構(gòu)，成本降低 7%!

結(jié)果

成本降低空間大!

通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行零基礎(chǔ)的審查以及基于特性的電機(jī)選擇，我們成功地增加了規(guī)格并降低了成本，即使電機(jī)尺寸稍大一些。過(guò)去，電機(jī)的選擇是根據(jù)其易用性或熟悉程度來(lái)完成的。經(jīng)過(guò)這次練習(xí)，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間的操作差異變得清晰起來(lái)。令人驚訝的是，步進(jìn)電機(jī)比預(yù)期的更實(shí)惠。使用這種方法的其他設(shè)備必須有降低成本的空間。此練習(xí)再次確認(rèn)，在電機(jī)規(guī)格和成本之間實(shí)現(xiàn)良好平衡的選擇，同時(shí)最大限度地提高電機(jī)特性是關(guān)鍵。

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)哪個(gè)停止精度更高?

客戶(hù)咨詢(xún)：尋找停止精度好的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)有多大區(qū)別?

假設(shè)： NX系列交流伺服電機(jī)配備20位編碼器，分辨率高，停止精度好。

首先要明確分辨率和停止精度的區(qū)別：分辨率就是每轉(zhuǎn)的步數(shù)，步進(jìn)電機(jī)也叫步距角。在考慮所需定位的精確度時(shí)需要它。停止精度是實(shí)際停止位置與理論停止位置之差。

這是否意味著配備高精度編碼器的交流伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)具有更好的停止精度?

不完全的。過(guò)去“伺服電機(jī)的停止精度等于編碼器分辨率在±1脈沖以?xún)?nèi)”的概念沒(méi)有問(wèn)題。然而，最近的伺服電機(jī)配備了具有非常精細(xì)分辨率的 20 位編碼器(1,048,576 步)。因此，編碼器安裝精度引起的誤差對(duì)停止精度有很大影響。因此，停止精度的概念開(kāi)始略有變化。

根據(jù)對(duì)比圖，步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的停止精度幾乎相同(±0.02o ~ 0.03o)。精度取決于步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的機(jī)械精度，因此如果停止位置可以每 7.2o 完成，則根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)，始終由轉(zhuǎn)子上相同的小齒進(jìn)行定位。這使得可以進(jìn)一步提高停止精度。

但是，步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)根據(jù)負(fù)載扭矩值產(chǎn)生位移角。此外，根據(jù)機(jī)構(gòu)條件，AC 伺服電機(jī)可能具有較寬的波動(dòng)寬度作為對(duì)增益調(diào)整的響應(yīng)。由于這些原因，需要謹(jǐn)慎一些。

步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)停止精度比較