关于步进电机你需要知道的一切

关于步进电机你需要知道的一切

高可靠性步进电机的强大能力

步进电机常被误认为是伺服电机中的次要电机，但事实上，它们与伺服电机一样具有很高的可靠性。电机通过与控制器向驱动器输出的脉冲信号精确同步而运转，实现高精度的定位和速度控制。步进电机在低速时具有高扭矩和低振动的特点，非常适合需要短距离快速定位的应用。

关于步进电机你需要知道的一切

“步进电机?伺服电机性能肯定更好。” 当被问及步进电机时，这是一个典型的回答。显然，对步进电机存在重大误解。事实上，步进电机已用于各种类型的应用，例如高级设备和可访问的自动化仪器。本文解释了连续选择步进电机的原因。有的读者可能会说，他们从来没有见过步进电机。步进电机已在许多应用和行业中用作需要高精度控制的驱动系统的电机解决方案，例如工厂自动化 (FA)、半导体制造设备、FPD 和太阳能电池板、医疗设备、分析仪器、精密平台、金融系统，食品包装机，

为什么要使用步进电机?

易于使用：34%

便宜：17%

操作简单：16%

无需调校：12%

其他：21%

*受访人数：258(可多选)/东方电机研究

重点：易用性、操作简单、成本低

根据对步进电机用户的调查，很多人青睐步进电机的“使用方便”、“操作简单”、从结构和系统配置上衍生出来的“成本低”。由于简单的结构和系统配置，许多用户在步进电机中发现这些积极的方面是有道理的。然而，一些读者可能会怀疑电机在精度和扭矩方面的实际性能。除非有与伺服电机等其他控制电机的比较示例，否则很难完全掌握整个想法。通过了解特性并根据所需操作采取不同的方法，步进电机当然可以降低设备成本。步进电机的特性和技术资料说明如下：

令人印象深刻的“停止精度”。在“低/中速范围”快速移动

步进电机具有出色的停止精度，可以进行开环精确控制。例如，当使用RK II 系列定位旋转工作台时，其停止精度在±0.05°以内(无负载)。由于停止位置误差不会在步骤之间累积，因此可以进行高精度定位。无需编码器的步进电机结构允许简单的驱动系统和低成本。

第 1 点

惊人的停止准确性

例如，将步进电机的停止精度±0.05°转换为滚珠丝杠机构时：

工作条件：

• 电机：RK II 系列

• 滚珠丝杆导程：10mm

停止精度：±1.4µ m

通常，研磨滚珠丝杠类型的精度为 ±10µ m。当使用滚珠丝杠类型时，其精度下降到 ±20µ m，这表明步进电机的停止精度远高于滚珠丝杠类型。

低/中速范围内的高扭矩是步进电机的另一大特点。伺服电机的主要特点之一是在中高速范围内产生平坦的扭矩。伺服电机适用于长行程操作(多转)。另一方面，步进电机的扭矩特性并不平坦。低/中速范围内的扭矩曲线趋于变得非常高，而在高速范围内变得非常低。除了伺服电机难以在低速范围内稳定旋转外，步进电机还可以在短行程操作(较少旋转)所需的速度范围内提供高扭矩，因此它们适用于选择所需的步距角进行多次旋转表和点动应用程序。这是由于短行程操作的定位时间短，因此电机在达到最大速度之前减速并停止。换句话说，通常不需要高速特性。

高响应性和出色的同步性

步进电机的第三个显着特点是反应灵敏。向电机发送单向命令的开环控制具有对命令的高度跟随机制。等待编码器反馈的伺服电机往往会“延迟”命令，而步进电机则与脉冲同步运行。因此，“延迟”很少，从而产生出色的响应。因此，步进电机适用于需要多台电机同步运行的应用。一个例子是电路板传送应用，它需要两个传送带，分别安装一个电机，以在两个传送带之间传送电路板。

要点 2

出色的低速/中速范围!

例：机座号85mm的电机在1000r/min时的扭矩相当于400W伺服电机的额定扭矩。

在更低的速度范围内，扭矩最高可达 5 倍。对于短距离定位，在低速/中速范围内具有高扭矩是必不可少的。

要点 3

高响应性!

合适的应用

除了频繁启动和停止的微动应用之外，步进电机还适用于不喜欢振动的图像检查处理器的定位、伺服电机难以调整的凸轮驱动以及皮带驱动等低刚性机构。此外，通过将滚珠丝杠驱动更换为皮带驱动，成本显着降低。

强大功能的优势

除了降低成本，步进电机在性能方面还有很多优势。下表显示了 RKII 系列示例的转换扭矩到典型伺服功率范围的扭矩。再往下，介绍步进电机的基本结构、系统、应用实例等详细信息，了解更多步进电机信息。

步进电机基础知识

运作与架构

步进电机以固定的步距角旋转，就像时钟的秒针一样。得益于电机内部的机械结构，可以通过开环控制进行高精度定位。

准确定位(步数)

在完全控制旋转和速度的同时，无需使用电机内的编码器等电气元件即可实现步进电机的简单结构。因此，步进电机非常坚固，可靠性高，故障率极低。至于停止精度，±0.05°(没有累积螺距误差)是非常准确的。由于步进电机的定位采用开环控制，由磁化定子和小齿磁转子运行，因此步进电机对指令的跟随机制比伺服电机高。此外，停止步进电机时不会发生振荡。它们在刚性低的皮带传动中也很出色。

用于速度控制和位置控制

当脉冲通过脉冲发生器输入到驱动器时，步进电机根据输入脉冲的数量进行定位。5相步进电机的基本步距角为0.72°，2相步进电机为1.8°。步进电机的转速由提供给驱动器的脉冲频率(Hz)的快慢决定，只需改变驱动器的输入脉冲数或频率，即可自由改变电机转速。步进电机不仅可以作为位置控制电机，还可以作为高同步的速度控制电机。

步进电机用途：

• 固定步距角的高频重复定位

• 宽度调整等需要较长停止时间的定位

• 波动负载和刚性变化

• 分割1周期的定位

• 需要同步运行的电机轴

操作系统

无需传感器或反馈的简单控制

由于可以在与指令脉冲数和速度同步的同时进行精确定位和位置控制，因此不需要传感器等用于定位的设备。因此，整个系统构建简单。如果不需要插值运算等高级控制，建议使用内置控制器功能型驱动程序。通过消除控制器(例如脉冲发生器和 PLC 定位模块)来降低成本。

内置传感器闭环型

虽然开环控制可以实现高精度定位，但如果出现问题怎么办?为了避免此类缺陷，可以使用编码器型或内置传感器闭环控制型电机(AR 系列)。

能否进一步降低成本?

设计工程师的共同问题是降低成本。真的没有办法进一步降低成本吗?以滚珠丝杠机构为基础，进行了提高规格并降低成本的试验。下面解释测试的细节：

使命

直线运动机构

1. 进一步提高速度

2. 进一步降低成本

【原计划设备的条件】 机构：滚珠丝杠+伺服电机 右图的负载、速度和导程等条件是根据安装的伺服电机确定的用滚珠丝杠和钢板。

计划

将机构更改为皮带轮

• 如果试图提高速度，滚珠丝杠 => 皮带机构可能更合适 => 皮带机构可以达到 1000 毫米/秒至 1500 毫米/秒。如果定位精度没有问题，请更换皮带。• 如果可以更换皮带，可显着降低成本 => 皮带价格便宜，但其低刚性可能会影响伺服电机运行的稳定性，即使使用自动调整也是如此。

问题

1. 螺杆和皮带的停止精度差异...需要多大的停止精度?

2. 低刚度的影响... 对稳定时间的影响，避免调整问题

• 更好的螺杆停止精度。换腰带没问题?=> 应用要求的止动精度为±0.05 ~ 0.1mm，不如丝杆止动精度。所以用皮带代替应该没问题。

• 如果更换为皮带，机构的刚性会降低，因此伺服电机的运动会变得不稳定。=> 在定位电机中，步进电机没有内置编码器。因此，它们不需要调整并且对低刚性有很强的抵抗力。无论负载波动如何，它们的运动都是稳定的。如果输出相同，请考虑步进电机。

估计

机构：皮带轮+电机：尝试使用步进电机

• 可运输质量-> 最大。最大允许负载 7kg • 行驶速度 -> 提高到 800 mm/sec 电机 => 从步进电机改为伺服电机，成本降低了 50%!机构 => 从滚珠丝杠改为皮带机构，成本降低 7%!

结果

成本降低空间大!

通过对机构进行零基础的审查以及基于特性的电机选择，我们成功地增加了规格并降低了成本，即使电机尺寸稍大一些。过去，电机的选择是根据其易用性或熟悉程度来完成的。经过这次练习，伺服电机和步进电机之间的操作差异变得清晰起来。令人惊讶的是，步进电机比预期的更实惠。使用这种方法的其他设备必须有降低成本的空间。此练习再次确认，在电机规格和成本之间实现良好平衡的选择，同时最大限度地提高电机特性是关键。

步进电机和伺服电机哪个停止精度更高?

客户咨询： 寻找停止精度好的电机。步进电机和伺服电机有多大区别?

假设： NX系列交流伺服电机配备20位编码器，分辨率高，停止精度好。

首先要明确分辨率和停止精度的区别：分辨率就是每转的步数，步进电机也叫步距角。在考虑所需定位的精确度时需要它。停止精度是实际停止位置与理论停止位置之差。

这是否意味着配备高精度编码器的交流伺服电机比步进电机具有更好的停止精度?

不完全的。过去“伺服电机的停止精度等于编码器分辨率在±1脉冲以内”的概念没有问题。然而，最近的伺服电机配备了具有非常精细分辨率的 20 位编码器(1,048,576 步)。因此，编码器安装精度引起的误差对停止精度有很大影响。因此，停止精度的概念开始略有变化。

根据对比图，步进电机和交流伺服电机的停止精度几乎相同(±0.02º ~ 0.03º)。精度取决于步进电机电机的机械精度，因此如果停止位置可以每 7.2º 完成，则根据电机结构，始终由转子上相同的小齿进行定位。这使得可以进一步提高停止精度。

但是，步进电机可能会根据负载扭矩值产生位移角。此外，根据机构条件，AC 伺服电机可能具有较宽的波动宽度作为对增益调整的响应。由于这些原因，需要谨慎一些。

步进电机与交流伺服电机停止精度比较

审核编辑：汤梓红