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什么是步进电机?

步进电机是一种双相无刷直流电机,可通过一系列小型步进来旋转轴。 每一次步进都来自于步进驱动器产生的单独电磁脉冲。 步进电机最常用于开环系统设计中。 与伺服电机不同,它无需任何编码器或其他反馈设备。 取而代之的是,通过计算从已知起始点开始的步进指令数量,驱动器实现了位置控制。

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步进电机的工作原理

步进电机的设计将整圈旋转分为一组同等大小的步进 — 通常为 200,可实现快速精准的负载定位,并且可在任何单独步进中出色地保持转矩。 使用微步驱动器时,每个步进会分为更小的增量 — 接近伺服电机的无限定位控制,而无需复杂的反馈设备或闭环控制系统。

步进电机通过固定在转子上的永磁体实现定位控制,由定子上的两个绕组进行驱动。 转子和定子叠片上的小齿可控制每个步进的角度。 随着步进驱动器依次改变各个绕组中的电流,转子会一步步地前转动,从而参照已知起始点实现精确定位控制。

步进电机的特性

步进角。 大多数步进电机的齿数为 200,因此每个完整步进的转动角为 1.8º (360º / 200 = 1.8º)。 通过对电机直流电源进行更复杂的控制,可以实现更精细的步进。 例如,向每个绕组依次施加正电流、无电流和负电流,可实现 0.9° 的半步进角。 精细控制施加到单独绕组上的电流大小,可实现低至 1.8° 完整步进 1/250 的“微步进”增量,性能几乎与伺服电机齐平。

单极与双极。 在单极步进电机中,两个线圈共用一个中心轴头。 每个线圈的两端交替连接和断开以制造旋转磁场。 每次只有一个线圈通电。 在双极步进电机中,两个线圈各有一个独立的引线,可同时接通方向不同的电流。 这需要更加精细的驱动器,但提供了性能优势,例如更高的动态稳定转矩,因为持续存在更强的磁能。

直流与交流。 大多数步进电机依赖于驱动器的直流电源运行。 不过也有交流步进电机可供使用。 这种电机属于同步电机,转速与交流频率成正比,例如,在 120 VAC、60 Hz 下,电机将以 72 rpm 的转速运行。 只能通过改变交流频率或采用齿轮传动系统来调节该速度。 相比之下,直流步进电机的速度由驱动器装置所提供的变化脉冲决定。

混合步进电机与其他类型。 可变磁阻步进电机设计简单,带有一个非磁性齿形转子,只有当绕组定子通电时,转子才会被吸引到定子上。 这种电机噪音大、转矩低,极少用于工业应用。

永磁体步进电机常被称为“罐封叠加型”电机,转子带有南北极交替变化的永磁体,以及两个叠加定子线圈(也被称为“罐”)。常见的步进角为 3.6º,这种电机的工作转矩和速度相对较低。

​​​混合步进电机将一个齿形永磁体转子和一个齿形电磁定子组合在一起。 这种电机一般是工业应用中最实用的电机,因为相比于其他设计,它们可实现更高的分辨率以及更高的动态稳定转矩,并且可用速度范围也更加宽。

易于设置 由于步进电机无需编码器或其他反馈设备,也无需反馈电缆,相较于伺服电机,其设置和调整方式更加经济高效。 然而,由于不含反馈设备,这种系统必须从已知起始点开始计算转子位置。

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步进电机有哪些应用?

步进电机具有精确的定位能力和高转矩输出,因此常用于各种行业。 步进电机的常见应用包括:

制造和机器人 高度重复的工艺,例如涉及质量相对固定的负载的分度操作,是步进电机的理想应用。

机器工具金属成型 步进电机可为材料搬运、成型、研磨、钻孔及其他应用提供经济实惠的运动控制方案。

医疗保健 针对呼吸机、泵、实验室分析仪、疫苗和药物生产线,步进电机可提供可靠受控的运动控制方案。

印刷包装和输送 设计简单、经济高效的步进运动控制方案可为卷材处理、切割、层压、折叠、压花和类似工艺提供有利条件。

步进系统也是其他许多行业和领域的合适之选。 让我们一起来探讨您对运动控制的特殊要求,并找到理想的解决方案。

伺服电机与其他电机技术

步进电机与伺服电机步进电机按照每一转的固定步数进行移动,通过步进驱动器的离散脉冲进行控制。 伺服电机没有这种固定步数。 而是使用反馈设备和数据线缆来向驱动器报告转子位置,这可持续调节电流以纠正任何定位错误。 了解如何进行选择

​​​步进电机与感应电机 感应电机一直用于单速场景,例如输送机。 尽管现代感应电机和驱动器能够集成反馈功能,但步进电机通常是更好的选择,能够实现几乎与伺服同等的控制性能,而不需要反馈设备。

步进电机的优点和缺点 对于需要对相对持续、稳定的负载进行精确点到点定位的应用,步进电机是一种经济高效的解决方案。 当应用需要高稳定转矩时,步进电机也可提供有利条件。 步进系统易于设置调整,但对于变化和不可预测的负载可能不是理想选择,因为这些负载可能导致漏步并影响机器运行。

对于需要高带宽干扰校正、更高速度,以及在整个速度范围内更高的持续/峰值转矩的高动态应用,伺服系统是更好的选择。 伺服电机能够最大程度地优化定位精度、速度控制和动态响应。

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