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步進電機和伺服電機的區別 Applications by MOONS'

步進電機和伺服電機的區別


步進電機作為一種開環控制的系統,和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中,步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現,交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢,運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖和方向信號),但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一一比較。

• 基本結構

步進電機結構圖

 

伺服電機結構圖

步進電機結構圖(點擊上圖可查看大圖)

 

伺服電機結構圖(點擊上圖可查看大圖)

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°,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通過細分后步距角更小。如鳴志公司(MOONS')生產的二相混合式步進電機搭配其SR系列步進驅動器,其步距角可通過撥碼有16檔細分可以選擇1.8°、0.9°、0.45°、0.36°、0.225°、0.18°、0.1125°、0.09°、0.072°、0.05625°、0.045°、0.036°、0.028125°、0.018°、0.0144°、0.014°,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M2交流伺服電機為例,對于帶2500線增量式編碼器的電機而言,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131072個脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°,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低頻振動現象。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象,比如在電機上加阻尼器,或驅動器上采用細分技術等。

抗共振

步進系統的一點不足就在于存在著固有的共振點,SR系列步進驅動器自動計算共振點,并以此來調整控制算法,從而達到抑制共振的目的,極大的提高了中頻穩定性,使得高速時有更大的力矩輸出,更優異的高速性能。
交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能,可彌補機械的剛性不足,并且系統內部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統調整。
 

雙極性驅動電路

振動抑制

M2伺服系統的振動抑制功能包含共振抑制及阻尼減振兩個部分。

• 共振抑制功能

提供兩組陷波濾波器(Notch Filters),有效地克服由于設備機械結構固有特性造成的共振問題。
 

• 阻尼減振功能

可通過調節控制器提供的阻尼系數改善整個運動系統的阻尼特性,從而有效減小系統的振動。

共振抑制功能對比

 

阻尼減振功能對比

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。

• 相同尺寸下的伺服電機與步進電機的速度力矩特性比較

相同尺寸下的伺服電機與步進電機的速度力矩特性比較

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M2交流伺服系統為例,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二到三倍,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,便出現了力矩浪費的現象。

五、運行性能不同

步進電機的控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易出現失步或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖的現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環和速度環,一般不會出現步進電機的失步或過沖的現象,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。交流伺服系統的加速性能較好,以鳴志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,交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以,在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當的控制電機。

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