步进电机和伺服电机

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步进电机和伺服电机

On 三月 26, 2015, Posted by , in 产业数据, 技术资料, 行业信息, With No Comments

步进电机和伺服电机

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全数字式交流伺服系统

   目前的步进电机与伺服电机的应用越来越广,很多人并不十分了解两者的差别,所以实际应用选型上就存在问题。

步进电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较

一、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机,其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。

三、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。

 五、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA 400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。

写这个帖子的人,是卖交流伺服电机的吧?内容基本正确,但是,不全面。用于对比的几个部分,有些是可以从另外一个角度来看的。

1、控制精度不同

显然,楼主不知道步进电机驱动器有”细分”的概念。两相步进电机的步进角是1.8度没错,但是,现在64细分的驱动器也很常见了。注意,这个时候,电机是200*64=12800个脉冲转一圈。而市面上常见的交流伺服,编码器不过是2048或者2500线的。当然,有17位编码器的电机,不过,步进驱动器也有256细分的。从分辨率而言,交流伺服还是要高一些,但是远没有楼主所写得那么夸张。而且,既然是说控制精度,那么,用过伺服的人都应该知道,伺服的动态重现性是分辨率的多少倍。就常规设计而言,选型时,要把重现性指标乘以5作为伺服反馈的分辨率。这样,伺服的控制精度真的比伺服好吗?

2、低频特性不同

当步进电机细分数达到32以上时,基本就没有低频振动的问题了。而伺服想保持一个准确、稳定的低速,用过的人应该知道参数有多难调(只要速度、不要位置的话,还好做一点)

3、频矩特性不同

对于转矩,需要补充一点,伺服本身是没有保持力矩的,而步进电机有保持力矩。区别在于,伺服电机的所谓静止,实际上是一个动平衡的过程,电机不会真的停在指定位置上(所以交流伺服的重现性要定到反馈分辨率的3-5倍,而步进电机重现性可以比分辨率更高)。

4、过载能力不同

这个没有什么可说的,不过对于力矩浪费的说法,还是有点意见。很多步进驱动器提供了半流功能,在不需要全力矩输出的时候,可以降低电流,减小力矩。

5、运行性能不同

丢步确实是步进电机的致命缺陷,但是,伺服就可以不考虑加减速的曲线吗?你真给一个阶跃信号试试,电机会有多大的抖动。不过抖归抖,最终还是会停在正确的位置上,这确实比步进强。如果是定位控制,这个抖动无所谓了,如果是过程控制,谁敢这么用?

6、速度响应性能不同

因为交流伺服可以有瞬间大扭矩输出,所以加速性能可能比步进强,不过松下加到3000RPM用几毫秒,先试过再来说话好不好?而且说到响应,那就不能不说交流伺服的本质缺陷——滞后。一般电机,速度环响应2毫秒,位置环响应则很少看到数据,一般认为是8毫秒。说到快速起停,伺服总是手其响应频率限制,而步进电机基本不用考虑响应时间的问题。用步进电机可以很简单的做到一秒起停100次,每次移动20微米,用伺服大家可以试试看。

步进与伺服,无所谓优劣,各有适用场合而已,一般来说,大负载,高速度的应用,不要用步进电机,但低负载、低速度的场合,高细分的步进性能比交流伺服要好

 

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