Steppermotoren vorgestellt: Von der Grundmechanik bis zu fortschrittlichen Steuerungssystemen

Hoch zuverlässige Steppermotoren: Strom und Präzision in Bewegungssteuer

Steppermotoren werden im Vergleich zu Servomotoren häufig unterbewertet, bieten jedoch eine vergleichbare Zuverlässigkeit. Diese Motoren synchronisieren sich genau mit Impulssignalen von Controllern bis hin zu Treibern und ermöglichen eine genaue Positionierung und Geschwindigkeitsregelung. Mit einem hohen Drehmoment mit niedrigem Geschwindigkeit und minimaler Vibration zeichnen sie sich in Kurzstrecken- und Schnellpositionierungsanwendungen aus.

Schrittmotoren: Ein vollständiger Leitfaden zu Prinzipien, Typen und Anwendungen

"Stepper -Motoren? Servo -Motoren müssen besser abschneiden." Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis bei der Diskussion von Schrittmotoren. In Wirklichkeit zeichnen Stepper Motors in verschiedenen Anwendungen aus - von fortschrittlichen industriellen Geräten bis hin zu alltäglichen automatisierten Instrumenten. Dieser Artikel entpackt, warum sie eine Top-Wahl für präzisionsgetriebene Systeme bleiben.

Während einige Stepper-Motoren übersehen können, ist ihre Rolle bei der Kontrolle mit hoher Genauigkeit in allen Branchen entscheidend. Sie betreiben Fabrikautomation (FA), Semiconductor/FPD/Solar Panel Manufacturing-Geräte, medizinische Geräte, Analyseinstrumente, Präzisionsstufen, Finanzsysteme, Lebensmittelverpackungsmaschinen und sogar Anpassungen der Kamera-ihre Vielseitigkeit in anspruchsvollen, präzisionskritischen Umgebungen.

Warum verwenden Sie einen Schrittmotor?

Einfach zu bedienen: 34%
Kostengünstig: 17%
Einfache Operationen: 16%
Keine Notwendigkeit: 12%
Andere: 21%
*# der Frageses: 258 (mehrere Antworten erlaubt)/ recherchiert von Oriental Motor

Wichtige Vorteile: benutzerfreundlich, einfacher Betrieb und niedrige Kosten

Laut einer Umfrage unter Stepper-Motorbenutzern befürworten viele sie für ihre Benutzerfreundlichkeit, ihren einfachen Betrieb und ihre niedrigen Kosten-Menschenfits, die direkt an ihre Struktur- und Systemdesign gebunden sind. Die einfache Mechanik und Konfiguration von Schrittmotoren erklären diese Vorteile natürlich. Einige Leser können jedoch ihre Genauigkeit und ihre Drehmomentleistung in Frage stellen. Solche Zweifel werden am besten durch direkte Vergleiche mit anderen Kontrollmotoren wie Servos behandelt. Durch das Verständnis von Stepper Motor -Eigenschaften und das Abpassen der betrieblichen Anforderungen können Benutzer die Gerätekosten effektiv senken. Im Folgenden brechen wir ihre wichtigsten Funktionen und technischen Erkenntnisse auf:

Hohe Stoppgenauigkeit mit schnell niedriger/mittlerer Geschwindigkeitsleistung

Stepper-Motoren bieten eine außergewöhnliche Stoppgenauigkeit und ermöglichen eine präzise Kontrolle über Open-Loop. Beispielsweise erreicht die RK II -Serie bei der Positionierung eines rotierenden Tisches ± 0,05 ° Stoppgenauigkeit (keine Last). Ohne kumulative Schrittfehler sorgen sie für eine konsequente Positionierung mit hoher Präzision. Ihr codierfreies Design vereinfacht das Antriebssystem und senkt die Kosten und die Zuverlässigkeit.

Punkt 1
Fantastische Stoppgenauigkeit

Zum Beispiel bei der Umwandlung der Stoppgenauigkeit ± 0,05 ° eines Schrittmotors in den Kugelschraubenmechanismus:

Betriebsbedingungen:
• Motor: RK II -Serie

• Blei der Kugelschraube: 10 mm

Stoppgenauigkeit: ± 1,4 µ-m

Im Allgemeinen beträgt die Genauigkeit eines Erdkugelschraubenentyps ± 10 uM. Bei der Verwendung eines gerollten Kugelschraubenentyps nimmt seine Genauigkeit auf ± 20 u M ab, was darauf hinweist, dass die Stoppgenauigkeit eines Schrittmotors viel höher ist als die von Kugelschraubenstypen.

Stepper-Motoren übertreffen sich im niedrigen/mittleren Drehmoment-ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Servomotoren, die ein konstantes Drehmoment über mittlere bis hohe Geschwindigkeiten liefern und Langstreicher mit hoher Schnitt aufgaben. Im Gegensatz zu Servos verfügen Steppermotoren über eine nicht-flache Drehmomentkurve: Spitzenmoment bei niedrigen/mittleren Geschwindigkeiten fällt bei hohen Geschwindigkeiten erheblich ab. Dies macht sie ideal für Kurzhirt Anwendungen (z. B. begrenzte Rotationen), bei denen sie anbieten:

• Hohes Drehmoment bei erforderlichen Geschwindigkeiten für die schnelle Positionierung in Aufgaben wie Multi-Rotation-Tabellen oder Zentimeter.
• Stabile Leistung mit niedriger Geschwindigkeit (eine Herausforderung für Servos) mit einem minimalen Bedarf an Hochgeschwindigkeitsbetrieb-siehe Kurzheizaufgaben, verzögert und stoppen, bevor sie die Spitzendrehzahl erreichen.

Kurz gesagt, Stepper optimieren das Drehmoment, bei dem es am wichtigsten ist: der niedrige/mittlere Geschwindigkeitsbereich, der für Kurzstrecken und präzisionsgetriebene Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Hohe Reaktionsfähigkeit und hervorragende Synchronisation

Das dritte herausragende Merkmal von Stepper Motors ist ihre Reaktionsfähigkeit. Mit Open-Loop-Steuerung, das Einwegbefehle an den Motor sendet, können Schrittmotoren mit Befehlssignalen stark synchronisieren. Im Gegensatz dazu verlassen sich Servomotoren auf Encoder -Feedback und verursachen häufig Befehlsverzögerungen. Steppermotoren arbeiten jedoch in Echtzeit mit eingehenden Impulsen, minimieren die Latenz und sorgen für eine schnelle Reaktion.

Dies macht Schrittmotoren ideal für Anwendungen, die eine motorische Synchronisation erfordern. In Board -Transfersystemen mit zwei Förderern, die jeweils von einem separaten Motor angetrieben werden, können Schrittmotoren die Bewegungen genau koordinieren, um sicherzustellen, dass die näher Brettübertragung zwischen Förderer.

Punkt 2
Ausgezeichnete niedrige / mittlere Geschwindigkeitsreichweite!

Beispiel: Drehmoment einer Motorrahmengröße 85 mm entspricht einem Nennmoment eines 400 -W -Servomotors bei 1000 R/min.

Drehmoment in einem noch niedrigeren Geschwindigkeitsbereich kann bis zu 5 -mal höher sein. Für eine ShortDistance-Positionierung ist es unerlässlich, ein hohes Drehmoment im niedrigen / mittleren Geschwindigkeitsbereich zu haben.

Punkt 3
Hohe Reaktionsfähigkeit!

Geeignete Anwendungen

Abgesehen von einer Zentimeteranwendung mit häufigen Start- und Stopp -Motoren eignen sich Steppermotoren für die Positionierung von Bildüberprüfungsverfahren, die Vibrationen nicht mögen, CAM -Laufwerke, die sich mit Servorotoren und geringen Starrheitsmechanismen wie einem Riemenantrieb schwer anpassen lassen. Darüber hinaus werden die Kosten erheblich gesenkt, indem ein Kugelschraubenantrieb durch einen Riemenantrieb ersetzt wird.

Vorteil großartiger Funktionen

Neben der Kostensenkung haben Stepper -Motoren viele Vorteile in Bezug auf die Leistung. Das folgende Diagramm zeigt das Umwandlungsdrehmoment des Beispiels der RKII -Serie in dem der typischen Servo -Wattagestellungen. Weiter unten werden detaillierte Informationen zu Schrittmotoren wie Grundstruktur, System und Beispielanwendungen eingeführt, um weitere Informationen zu Schrittmotoren zu erhalten.

Grundlagen von Schrittmotoren

Operation & Struktur

Ein Schrittmotor dreht sich mit einem festen Schrittwinkel genau wie die Sekundenzeigung einer Uhr. Dank der mechanischen Struktur innerhalb des Motors kann eine hoch genaue Positionierung mit Open-Loop-Steuerung durchgeführt werden.

Genaue Positionierung (Anzahl der Schritte)

Die einfache Struktur von Schrittmotoren wird zwar eine vollständige Kontrolle von Drehungen und Geschwindigkeit haben, ohne elektrische Komponenten wie einen Encoder innerhalb des Motors zu verwenden. Aus diesem Grund sind Stepper -Motoren sehr robust und haben eine hohe Zuverlässigkeit mit sehr wenigen Ausfällen. Bei der Stoppgenauigkeit ist ± 0,05 ° (ohne kumulative Tonhöhenfehler) sehr genau. Da die Positionierung von Steppermotoren durch Open-Loop-Steuerung durchgeführt und vom magnetisierten Stator und Magnetrotor mit kleinen Zähnen betrieben wird, haben Stepper-Motoren einen höheren Follow-up-Mechanismus gegenüber Befehlen als die von Servomotoren. Außerdem tritt keine Jagd auf, wenn Stepper -Motoren gestoppt werden. Sie sind auch hervorragend in Gürtelfahrten, die eine geringe Starrheit aufweisen.

Nützlich für die Geschwindigkeitskontrolle und Positionskontrolle

Wenn Impulse durch einen Impulsgenerator in einen Treiber eingegeben werden, positionieren sich Schrittmotoren entsprechend der Anzahl der Eingangsimpulse. Der grundlegende Schrittwinkel von 5-Phasen-Steppermotoren beträgt 0,72 ° und 1,8 ° für 2-Phasen-Steppermotoren. Die rotierende Geschwindigkeit des Schrittmotors wird durch die Geschwindigkeit der Pulsfrequenz (Hz) bestimmt, die dem Treiber gegeben wurde, und es ist möglich, die Motorrotation frei zu ändern, indem einfach die Anzahl der Eingangspulse oder Frequenzen auf den Treiber geändert wird. Steppermotoren dienen nicht nur als Positionsregelmotoren, sondern auch als Geschwindigkeitsregelmotoren mit hoher Synchronisation.

Stepper -Motoren verwendet:

• Hochfrequenz, sich wiederholte Positionierung fester Schrittwinkel
• Positionierung, die eine lange Stoppzeit aufgrund der Einstellung der Breite usw. erfordert, usw.
• schwankende Lasten und Änderung der Steifheit
• Positionierung, die 1 Zyklus teilt
• Motorwellen, die einen synchronen Betrieb erfordert

Betriebssystem

Einfache Kontrolle ohne Sensor oder Feedback

Da es möglich ist, eine genaue Positionierungs- und Positionsregelung durchzuführen, während sie mit der Anzahl der Befehlsimpulse und Geschwindigkeit synchronisiert werden, sind keine Geräte wie einen Sensor für die Positionierung erforderlich. Daher ist das gesamte System einfach zu bauen. Wenn eine fortschrittliche Steuerung wie ein Interpolationsvorgang nicht erforderlich ist, wird der integrierte Treiber für den Controller-Funktionstyp empfohlen. Die Kosten werden reduziert, indem Controller wie ein Impulsgenerator und SPS -Positionierungsmodule beseitigt werden.

Eingebauter Sensor mit geschlossenem Schleife

Obwohl eine hohe Genauigkeitspositionierung mit Open-Loop-Kontrolle möglich ist, was würde passieren, wenn ein Problem auftritt? Um solche Fallstricke zu vermeiden, kann ein Encodertyp oder ein eingebauter Sensor-Motor (AR-Serie) mit geschlossenem Schleife verwendet werden.

Können die Kosten weiter gesenkt werden?

Das gemeinsame Problem der Konstruktionsingenieure ist die Kostensenkung. Gibt es wirklich keine Möglichkeit, die Kosten weiter zu senken? Um einen Kostenreduktionstest mit Spezifikationsverbesserungen zu finden, wurde er basierend auf dem Kugelschraubenmechanismus durchgeführt. Im Folgenden werden die Details des Tests erläutert:

Mission

Linearer Bewegungsmechanismus

1. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit weiter
2. Die Kosten senken weiter
[Bedingungen des ursprünglich geplanten Geräts] Mechanismus: Kugelschraube + Servo-Motorradbedingungen wie Last, Geschwindigkeit und Blei, die rechts dargestellt sind, werden basierend auf dem mit Kugelschrauben und Stahlplatte befestigten Servomotor bestimmt.

Planen

Ändern Sie den Mechanismus in die Riemenscheibe
• Kugelschraube Wenn versucht wird, die Geschwindigkeit zu erhöhen => Riemenmechanismus kann besser geeignet sein => 1000 mm/s bis 1500 mm/s sind mit dem Riemenmechanismus möglich. Wechseln Sie zum Gürtel, wenn es keine Probleme mit der Positionierungsgenauigkeit gibt. • Die Kosten erheblich senken, wenn das Wechsel zum Gürtel möglich ist.

Probleme

1. Unterschied in der Stoppgenauigkeit zwischen Schraube und Gürtel ... Wie viel Stoppgenauigkeit ist erforderlich?
2. Einfluss der geringen Starrheit ... Auswirkungen auf die Absetzzeit, ein Tuning -Problem vermeiden
• Besser an die Genauigkeit mit der Schraube anhalten. Kein Problem, sich am Gürtel zu ändern? => Die erforderliche Stoppgenauigkeit der Anwendung beträgt ± 0,05 ~ 0,1 mm, was nicht so genau ist wie die für die Schraube. Daher sollte es in Ordnung sein, durch den Gürtel zu ersetzen.
• Wenn Sie zum Gürtel wechseln, wird die Steifigkeit des Mechanismus niedrig, so dass die Servomotorbewegungen instabil werden. => Unter den Positionierungsmotoren haben Schrittmotoren keinen eingebauten Encoder. Aus diesem Grund erfordern sie keine Anpassung und sind gegen niedrige Starrheit stark. Ihre Bewegungen sind unabhängig von schwankenden Lasten stabil. Wenn die Ausgabe gleich ist, betrachten Sie Stepper -Motoren.

Schätzung

Mechanismus: Riemenscheibe + Motor: Versuchen Sie es mit Stepper -Motor

Probleme

1. Unterschied in der Stoppgenauigkeit zwischen Schraube und Gürtel ... Wie viel Stoppgenauigkeit ist erforderlich?
2. Einfluss der geringen Starrheit ... Auswirkungen auf die Absetzzeit, ein Tuning -Problem vermeiden
• Besser an die Genauigkeit mit der Schraube anhalten. Kein Problem, sich am Gürtel zu ändern? => Die erforderliche Stoppgenauigkeit der Anwendung beträgt ± 0,05 ~ 0,1 mm, was nicht so genau ist wie die für die Schraube. Daher sollte es in Ordnung sein, durch den Gürtel zu ersetzen.
• Wenn Sie zum Gürtel wechseln, wird die Steifigkeit des Mechanismus niedrig, so dass die Servomotorbewegungen instabil werden. => Unter den Positionierungsmotoren haben Schrittmotoren keinen eingebauten Encoder. Aus diesem Grund erfordern sie keine Anpassung und sind gegen niedrige Starrheit stark. Ihre Bewegungen sind unabhängig von schwankenden Lasten stabil. Wenn die Ausgabe gleich ist, betrachten Sie Stepper -Motoren.

Schätzung

Mechanismus: Riemenscheibe + Motor: Versuchen Sie es mit Stepper -Motor

• Transportbare Masse -> max. Zulässige Last 7 kg • Reisegeschwindigkeit -> Verbessert auf 800 mm/ s motor => Durch Wechsel vom Schrittmotor zum Servomotor, reduzierte Kosten um 50%! Mechanismus => Durch Wechsel von Kugelschrauben zu Gürtelmechanismus, reduzierte Kosten um 7%!

Ergebnisse

Es war viel Platz für die Kostensenkung!
Durch die Durchführung einer Null-Basis-Überprüfung des Mechanismus sowie der motorischen Auswahl auf der Grundlage der Merkmale gelang es uns, die Spezifikationen zu erhöhen und die Kosten zu senken, selbst wenn die Motorgröße etwas größer wurde. In der Vergangenheit wurde die motorische Auswahl auf der Grundlage seiner Benutzerfreundlichkeit oder Vertrautheit durchgeführt. Nach dieser Übung wurden Unterschiede zwischen Servomotoren und Stepper -Motoren klar. Es war überraschend, dass Stepper -Motoren erschwinglicher sind als erwartet. Es muss Raum für die Kostensenkung anderer Geräte mit dieser Methode geben. In dieser Übung wurde bekannt, dass die ausgewogene Auswahl zwischen motorischen Spezifikationen und Kosten und gleichzeitig motorische Eigenschaften der Schlüssel ist.

Welches hat eine höhere Stoppgenauigkeit - Schrittmotor oder Servomotor?

Kundenanfrage: Auf der Suche nach einem Motor mit einer guten Stoppgenauigkeit. Wie viel Unterschied gibt es zwischen Stepper -Motoren und Servomotoren?

Annahme: Die NX-Serie von AC Servo Motor ist mit einem 20-Bit-Encoder ausgestattet, daher sollte sie eine feine Auflösung und eine gute Stoppgenauigkeit haben.

Erstens ist es notwendig, den Unterschied zwischen Auflösung und Stoppgenauigkeit zu klären: Die Auflösung ist die Anzahl der Schritte pro Revolution und wird auch als Schrittwinkel für Schrittmotoren bezeichnet. Es ist erforderlich, wenn man überlegt, wie präzise die erforderliche Positionierung sein muss. Die Stoppgenauigkeit ist der Unterschied zwischen der tatsächlichen Stoppposition und der theoretischen Stoppposition.

Bedeutet dies, dass der mit einem hohe Genauigkeitscodierer ausgestattete Wechselstrom -Servomotor eine bessere Anhalten der Genauigkeit hat als Schrittmotoren?
Nicht ganz. In der Vergangenheit gab es kein Problem mit dem Konzept, "die Genauigkeit von Servomotoren zu stoppen, die der Auflösung der Encoder innerhalb von ± 1 Impuls entspricht". Die jüngsten Servomotoren sind jedoch mit dem 20 -Bit -Encoder (1.048.576 Schritte) ausgestattet, was eine sehr gute Auflösung aufweist. Aus diesem Grund haben Fehler aufgrund der Genauigkeit der Encoder -Installation einen großen Einfluss auf die Beendigung der Genauigkeit. Daher hat sich das Konzept der Beendigung der Genauigkeit leicht zu ändern.
Nach den Vergleichstabellen ist die Beendigung der Genauigkeit zwischen Schrittmotoren und Wechselstrom -Servomotoren nahezu gleich (± 0,02º ~ 0,03º). Die Genauigkeit hängt von der mechanischen Präzision des Motors für Schrittmotoren ab. Wenn daher die Stoppposition pro 7,2 ° durchgeführt werden kann, erfolgt die Positionierung der gleichen kleinen Zähne am Rotor jederzeit gemäß der Motorstruktur. Dies ermöglicht es, die Stoppgenauigkeit weiter zu verbessern.
Schrittmotoren können jedoch je nach Lastdrehmomentwert einen Verschiebungswinkel erzeugen. Abhängig von der Mechanismusbedingung können AC -Servomotoren möglicherweise eine breitere Jagdbreite haben, um Anpassungen zu erhalten. Aus diesen Gründen ist eine gewisse Vorsicht erforderlich.

Vergleich der Stoppgenauigkeit zwischen Schrittmotoren und AC -Servomotoren