步進和閉環(huán)步進及交流伺服電機產(chǎn)品的特點及對比

本文將介紹步進、閉環(huán)步進、交流伺服產(chǎn)品的特點及對比，幫助工程師選擇最適合自動化設(shè)備應(yīng)用要求的產(chǎn)品。

1、步進、閉環(huán)、交流伺服產(chǎn)品對比

表一：步進、閉環(huán)、伺服產(chǎn)品性能對比表

圖一：閉環(huán)步進和伺服位置跟蹤誤差示意圖

表二：步進、閉環(huán)步進、伺服選型實例一覽表

2、步進電機

步進電機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角。

圖二:雷賽CM系列步進電機

2.1 步進電機參數(shù)介紹

保持轉(zhuǎn)矩：步進電機繞組通額定電流但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時步進電機輸出力矩近似于保持轉(zhuǎn)矩。

矩頻曲線：描述電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。

圖三：雷賽相同轉(zhuǎn)矩57機座開環(huán)步進和閉環(huán)電機轉(zhuǎn)矩對比

圖四：相同轉(zhuǎn)矩86機座開環(huán)步進和閉環(huán)電機轉(zhuǎn)矩對比

備注：步進電機電壓平衡方程式：U=E+IR，供電電壓U，電機反電動勢E，繞組電流I，繞組電阻R。電機轉(zhuǎn)速越高反電動勢越大，能流入電機繞組的電流越小，導(dǎo)致電機力矩越小。

轉(zhuǎn)子慣量：步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量，負載慣量最大不宜超過電機轉(zhuǎn)子慣量5倍。

步距角：整步下一個脈沖信號步進電機轉(zhuǎn)過的角度。一般兩相混合式步進電機步距角是1.8°，三相混合步進電機步距角是1.2°，五相混合步進電機步距角是0.72°。

2.2 步進電機結(jié)構(gòu)

圖五：步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3步進電機接線方式

圖六：步進電機接線方式

a) 四線電機：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機額定電流值;

b) 六線電機高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機單極性接法額定電流的50%;

c) 六線電機高速模式：輸出電流設(shè)成電機單極性接法額定電流的100% ;

d) 八線電機并聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機單極性接法額定電流的140% ;

e) 八線電機串聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機單極性接法額定電流的70%。

2.4步進電機特點

低速力矩大，轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，一般在800rpm以上力矩下降加快，精度是步距角的3%~5%，整圈沒有累積誤差，兩相混合步進電機精度為0.18°;步進電機采用開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)性快，無過沖和整定時間，停止時電機軸無微振動。步進電機存在低頻共振，第一個共振點的轉(zhuǎn)速大約是1r/s。步進電機是恒電流控制，發(fā)熱和噪音較大，同時沒有過載能力，電機力不夠就會堵轉(zhuǎn)，故選型時應(yīng)預(yù)留1.4-2倍安全系數(shù)。步進電機及驅(qū)動器使用便捷無需復(fù)雜的調(diào)試就能使用。

3、閉環(huán)步進

本體是步進電機，增加位置反饋器件(光電編碼器或磁編碼器)，運用類似伺服電機的控制方法形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖七：雷賽CL系列閉環(huán)步進的3D和實物圖

3.1閉環(huán)步進重要參數(shù)

編碼器精度：電機轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動器的脈沖個數(shù)，影響閉環(huán)步進精度。閉環(huán)步進常規(guī)編碼器線數(shù)有1000線、2500線、5000線。以5000線為例，它的分辨率為360°/(4*5000)=0.018° ，精度高于開環(huán)控制的步進電機。

矩頻曲線：描述電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。

位置誤差：指令位置和編碼器反饋位置之間的差值。位置誤差過大驅(qū)動器會報超差報警。

3.2閉環(huán)步進原理框圖

圖八：閉環(huán)步進原理框圖

3.3 閉環(huán)步進的特點

閉環(huán)步進根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動小于開環(huán)步進，有編碼器反饋所以精度高于普通步進電機，電機響應(yīng)比開環(huán)步進慢，運行過程中存在位置誤差，誤差會在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低。高速力矩比開環(huán)步進大，常見應(yīng)用在0-1500rpm場合。做插補機械剛性不足(皮帶結(jié)構(gòu))且負載慣量較大時，會因為位置跟蹤誤差大導(dǎo)致偏位。小部分閉環(huán)步進需要簡單的調(diào)試才能使用。

4、交流伺服

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。位置模式下伺服電機靠脈沖來定位，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度。同時伺服電機編碼器具備反饋功能，伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動器就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位。

圖九：雷賽L5系列交流伺服產(chǎn)品實物圖

4.1伺服電機重要參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速：電動機輸出最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(額定轉(zhuǎn)矩)、以額定功率運行時的轉(zhuǎn)速。

額定轉(zhuǎn)矩：是指電機能夠連續(xù)安全輸出的轉(zhuǎn)矩大小，在環(huán)境溫度為25 °C時，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運行，電動機繞組溫度和驅(qū)動器功率器件溫度不會超過最高允許溫度，電動機或驅(qū)動器不會損壞。

最大轉(zhuǎn)矩：電動機所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。在最大轉(zhuǎn)矩下短時工作不會引起電機損壞或性能不可恢復(fù)。

最大電流：伺服短時間工作允許通過的最大電流，一般為額定電流的3倍。

最高轉(zhuǎn)速：電機短時間工作的最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速電機力矩下降，電機發(fā)熱量更大。

轉(zhuǎn)子慣量J：伺服電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量單位kgcm^2，一般負載慣量最大不超過20倍電機轉(zhuǎn)子慣量。

編碼器線數(shù)：電機轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動器的脈沖個數(shù)，影響閉環(huán)步進精度。伺服常規(guī)編碼器線數(shù)有2500線、5000線、17位和23位編碼器。17位編碼器精度為0.0027°高于常規(guī)的步進和閉環(huán)步進。

伺服電機兩個重要公式：T=Kt*I，P=n(單位換算成弧度/秒)*T。

4.2 伺服電機結(jié)構(gòu)

圖十：伺服電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.3 伺服三環(huán)控制原理框圖

圖十一：伺服三環(huán)控制原理框圖

4.4伺服電機的特點

交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點，常見200W,400W低中慣量交流伺服額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，最高轉(zhuǎn)速5000rpm，轉(zhuǎn)速高。力矩與電流成正比，可以工作在力矩模式，例如鎖螺絲，壓端子等需要恒定力矩的場合。

交流伺服工作噪音振動極小，發(fā)熱低。同體積下電機慣量轉(zhuǎn)子慣量小，400W伺服慣量僅相當(dāng)于57基座2NM步進電機的轉(zhuǎn)子慣量。

伺服具備短時間過載能力，選型時需考慮加減速時電機過載倍數(shù)。

伺服采用閉環(huán)控制，同閉環(huán)步進一樣存在位置跟蹤誤差，雷賽伺服具備軌跡跟蹤和共振抑制功能以提高伺服剛性來降低位置誤差，和定位時間，以達到更好的插補效果。伺服需要調(diào)試才能使用。

5、三種電機驅(qū)動方案對比總結(jié)