步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”), 它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和 加速度,從而達到調速的目的。
步進電機可以作為一種控制用的特種電機,利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應用于各種開環(huán)控制。
現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。
伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉子在此磁場的作用下轉動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器,驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較,調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。
步進電機和交流伺服電機性能比較 步進電機是一種離散運動的裝置,它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著本質的聯(lián)系。在目前國內的數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的 出現(xiàn),交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。
為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢,運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動 機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號),但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。
現(xiàn)就二者的使用性能作一比較:
一、控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機,其步距角為0.09°;德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例,對于帶標準2500線編碼器的電機而言,由于驅動器內部采用了四 倍頻技術,其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言,驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈,即其脈 沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
二、低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關,一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定 的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時,一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象,比如在電機上加阻尼器,或驅動器上采用細分 技術等。 交流伺服電機運轉非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統(tǒng)調整。
三、矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。
四、過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍,可 用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力,在選型時為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉矩的電機,而機器在正常工作期 間又不需要那么大的轉矩,便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
五、運行性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象,停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問 題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象,控制性 能更為可靠。
六、速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200~400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以,在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當?shù)目刂齐姍C。