工业电机控制中的步进电机
短语“运动控制”被广泛用来描述使用功率在大约5kW以下的电控电动机对扭矩，速度，加速度和位置等参数的精确控制。运动控制中使用了许多不同类型的电动机，但是在这里，我们将回答一些关于步进电动机的常见问题。
什么是步进电机?
电机的横截面显示转子和定子的齿它本质上是一个永磁直流电动机，其构造是在转子中装有永磁体，在定子中装有绕组。转子磁铁被封装在一层薄铁片中，外齿面上有齿。定子除了具有绕组之外，还具有带齿的叠片。齿使磁通量集中。定子具有多个独立的绕组，通常为四个。通过依次给它们通电，可使转子以不连续的角度步进运动。有多种类型的构造，但到目前为止，最常见的是“两相”电动机，其基本步进角为1.8度(每转200步)。从右上图可以看出，定子由四个绕组和八个磁极组成。定子上的齿距在一个完整的圆周中对应于52个齿，而转子上的齿距则对应于50个齿。两个相对的牙齿仅在180度相对的圆上的两个点上对齐。通过将线圈通电步进四分之一圈到下一个磁极，可以使另外两个齿对对齐。这会产生游标效应，每转产生200步。
它是如何驱动的?
首先，从前面的描述中可以明显看出，由于电动机没有转子绕组，因此它无法像普通的直流电动机那样具有换向器。因此必须通过电子方式换向。步进器通常由晶体管放大器驱动，通常称为“驱动器”。它具有两个H桥，因此它可以控制通过两个相位的两个方向的电流。由于电动机通常具有四个单独的绕组，因此两个绕组通常串联或并联连接。这使得可以获得不同的转矩和速度特性。驱动器的工作电压至少为24V，但通常更高(某些情况下高达300V)。电流检测和脉冲宽度调制用于将平均电流保持在电机的热极限内。高压克服了电动机的电感(电惯性)，从而实现了快速的电流上升时间，因此可以在合理的速度下实现高转矩。该驱动器通常包括电源，用于控制桥切换的转换器，各种保护电路，有时还包括用于简单速度控制的振荡器。这种布置导致电动机/驱动系统在低速时提供非常高的扭矩。请注意，除非驱动器断电，否则绕组仍将在静止状态下通过电流。电机具有所谓的“保持转矩”，这在定位应用中非常方便。有时还有一个振荡器，用于简单的速度控制。这种布置导致电动机/驱动系统在低速时提供非常高的扭矩。请注意，除非驱动器断电，否则绕组仍将在静止状态下通过电流。电机具有所谓的“保持转矩”，这在定位应用中非常方便。有时还有一个振荡器，用于简单的速度控制。这种布置导致电动机/驱动系统在低速时提供非常高的扭矩。请注意，除非驱动器断电，否则绕组仍将在静止状态下通过电流。电机具有所谓的“保持转矩”，这在定位应用中非常方便。
步进电机由两个H桥驱动
独立的步进控制器我该如何控制?
如上所述，许多步进驱动器都包括一个振荡器，该振荡器通过外部电位计和开关使电动机以不同的速度沿任一方向驱动。但是，这不会启用位置控制。通常，需要精确的位置控制。这是使用微处理器控制的分度器实现的。分度器从自己的程序代码，PC或其他数据源获取数据，并以预定速率生成所需数量的脉冲。它们被馈送到控制H桥的转换器。这样，可以精确地控制距离，加速速度，最终速度和减速速度。这导致所谓的梯形运动轮廓。这包括线性加速，然后是恒定速度部分，然后依次是线性减速。有各种类型的索引器适用于不同的应用程序。这些范围从单张带有数字开关(拇指轮)的卡到多轴计算机总线卡，可以在多个电动机之间协调复杂的运动曲线。独立的分度器可以通过串行通信端口(RS232C)或USB端口从PC或PLC进行编程，并将预编程的移动序列存储在非易失性存储器中。这样一来，无需PC或操作员面板即可在加电时自动控制电动机。大多数步进控制器还将提供限位开关和原点开关，以及一些用于过程接口的附加输入和输出(数字或模拟)。通常，他们还将提供编码器反馈。这样就可以实现自动位置检查或编码器跟随，使步进器跟随另一条电机轴，例如传送带。重要的是要意识到，如果电源关闭，位置将会丢失。这就是为什么要提供回零开关输入的原因，以便可以将电动机放置在正确的位置，并在加电时将内部计数器清零。
什么是微步进?
这是一种电子控制技术，用于将电机步长减小到小于基本(通常为200)步长。这是通过在两相之间按比例分配电流来完成的。与其完全打开下一个相并完全关闭最后一个相，我们不如将下一个相电流增加一小部分，将前一相电流减少一小部分。因此，电流以正弦形式在线圈之间变化，以小增量逐渐导通和逐渐截止。这具有将转子定位在两个完整台阶之间的某个位置的效果。这可以提供高达每转25000步的分辨率。这样做的目的是在低速时提供更平滑的旋转，从而使旋转更安静。电机和机械共振的可能性也降低了。但是，它不会提高准确性。请注意，这是一个驱动功能。电机不变。
可靠性呢?
由于电动机只有一个运动部件，因此唯一的磨损发生在转子轴承中，转子轴承通常是密封的球轴承，并且会按照提供的方式运行多年。现代电子产品极其可靠。如果发生任何故障，通常都是组件故障，并且会在运行的最初几天内发生。由于这些原因，可以预期步进系统可以在无人注意的情况下多年正常运行。确实会出现问题，通常与接线错误，驱动电路的老化或电动机的误用(例如机械轴损坏，联轴器的故障等)有关。由于步进电动机几乎始终在通电状态下仍保持通电，因此通常在高温运行时仍会通电。 120摄氏度)。由于绕组位于定子中，因此它们很容易散热。由于驱动器是电流调节的，因此不会损坏机械失速的电动机。伺服马达供应商大都认为步进马达可以在特定速度下产生共振，但实际上这很少出现问题。固有频率通常在100-300 Hz的范围内。由于这代表了电动机RPM的低速，因此该范围通常在加速期间快速通过，因此不会引起注意。无论如何，微步进和正确调整尺寸几乎总是可以避免此问题。由于这代表了电动机RPM的低速，因此该范围通常在加速期间快速通过，因此不会引起注意。无论如何，微步进和正确调整尺寸几乎总是可以避免此问题。由于这代表了电动机RPM的低速，因此该范围通常在加速期间快速通过，因此不会引起注意。无论如何，微步进和正确调整尺寸几乎总是可以避免此问题。
步进机可以在闭环定位系统中使用吗?
只要步进电机的尺寸正确且系统没有故障，步进电机的开环效果就很好(无位置反馈)。大多数故障模式会导致完全停止，因此在设计良好的系统中，不会存在丢失步距和不了解它的危险。然而，使用步进电机的闭环定位系统越来越普遍，并且大多数当前的步进控制器都可以在称为“位置维护”的模式下运行。完成移动后，将比较从编码器接收到的脉冲数和已编程的移动，并在必要时进行校正。这发生得非常快，并且对于观察者而言并不明显。如果位置损失的成本很高或机械系统的精度不足，则可以在生产过程中使用位置维护。
我可以使用步进器做什么?
X / Y定位台，装有步进电机步进器广泛用于工业自动化。应用范围包括：按长度给料，在雕刻和切割操作中进行多轴定位，扫描，医疗配料，在质量控制应用中进行工件定位等。实际上，几乎所有需要线性或旋转轴位置控制的应用。
如何设计步进系统?
任何值得一提的步进电机供应商都将聘请应用工程师来协助客户。如果您不熟悉该技术，则明智的做法是使用通常免费提供的这些服务。如果您将成为常规的步进器和运动控制用户，则值得进行一些学习，或者最好还是参加有关该主题的研讨会或培训课程。认真的运动控制公司通常会提供培训。作为客户，您将需要在应用程序上提供一些重要数据。最重要的是：
您的应用程序的一般描述
需要什么驱动马达，例如螺杆，皮带，轴，鼓等。
需要多少个轴并进行协调，例如圆弧插补。
按照完成时间和长度来描述所需的动作。
什么是必须移动的负载。
什么环境
可用的电源电压是多少。
任何特殊的控制要求和接口。
在大多数运动控制系统中，通常需要以合理的速度反复启动和停止。这意味着大部分电动机功率都用于加速和减速负载。因此，负载惯性至关重要。幸运的是，在大多数系统中，这很容易计算。如果您不知道或没有能力自己计算，则需要提供所需的数据。惯量匹配很重要，因为负载惯量必须与电动机自身的转子惯量匹配。如果不这样做，可能会导致不良的加速性能和不稳定性。值得注意的是，步进电机只有在功率高达500瓦时才实用。在此之上，由于加热而导致的电动机功率损耗对于有效运行而言变得太大，通常最好使用伺服电动机。
尺寸和规格如何?
步进电机非常方便地制造为国际标准机架尺寸，并符合NEMA系统。Nema 23尺寸的电动机是指前法兰为2.3英寸(57.2毫米)平方的电动机。每个帧大小可能有各种堆栈长度。术语“堆”是指转子上的单个磁体/叠片堆。两个堆栈的电动机将具有两个磁体/叠片组。因此，两叠式电动机的长度大约是单叠式电动机的长度的两倍，并且具有两倍的扭矩。这具有两个优点，首先是零件的通用性，其次是在不增加直径的情况下增加了扭矩。这导致更好的转矩与惯性比，从而使电动机在加速负载方面更加高效。对于设计工程师而言，这是一个方便的系统，他们低估了扭矩要求，然后能够在不进行机械修改的情况下安装功率更大的电机。框架尺寸范围从Nema 08(直径0.8英寸)到Nema 42(直径4.2英寸)
最近的一些发展
由于电子设备的不断小型化，现在集成了驱动电子设备的步进电机就可以使用了。有些甚至内置了简单的可编程控制。这些往往是小于100瓦的小型电动机，电源电压很少超过24V。因此，它们仅限于中等速度(通常小于500 RPM)的低功率应用。但是，对于某些应用程序，这可以节省大量的安装和接线费用。
锐特是一家电机厂商。便宜往往不是更好。准备提供有关您的应用程序的完整信息。不要期望即时的答案和价格，必须对您的应用进行研究，然后才能对最佳解决方案提出建议。当您收到新系统时，请勿立即将其打开。请仔细阅读提供的文档，并遵循给出的建议和建议。运动控制很少是简单的，因此只需进行一些研究便可以得到回报。如果您的系统无法按预期运行，请不要下结论，而是在致电供应商之前再次阅读文档或重新检查编程。最后，切勿拆卸步进电机。如果这样做，将导致消磁，从而使电动机无法使用。
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