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

1、步進(jìn)、閉環(huán)、交流伺服產(chǎn)品對(duì)比

表一：步進(jìn)、閉環(huán)、伺服產(chǎn)品性能對(duì)比表

圖一：閉環(huán)步進(jìn)和伺服位置跟蹤誤差示意圖

表二：步進(jìn)、閉環(huán)步進(jìn)、伺服選型實(shí)例一覽表

2、步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。

圖二:雷賽CM系列步進(jìn)電機(jī)

2.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)介紹

保持轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)繞組通額定電流但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時(shí)步進(jìn)電機(jī)輸出力矩近似于保持轉(zhuǎn)矩。

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

圖三：雷賽相同轉(zhuǎn)矩57機(jī)座開環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖四：相同轉(zhuǎn)矩86機(jī)座開環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

備注：步進(jìn)電機(jī)電壓平衡方程式：U=E+IR，供電電壓U，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E，繞組電流I，繞組電阻R。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高反電動(dòng)勢(shì)越大，能流入電機(jī)繞組的電流越小，導(dǎo)致電機(jī)力矩越小。

轉(zhuǎn)子慣量：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量，負(fù)載慣量最大不宜超過電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量5倍。

步距角：整步下一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。一般兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8°，三相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是1.2°，五相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是0.72°。

2.2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖五：步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3步進(jìn)電機(jī)接線方式

圖六：步進(jìn)電機(jī)接線方式

a) 四線電機(jī)：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值;

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

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

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

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

2.4步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)

低速力矩大，轉(zhuǎn)矩會(huì)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(jìn)電機(jī)精度為0.18°;步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)性快，無過沖和整定時(shí)間，停止時(shí)電機(jī)軸無微振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)存在低頻共振，第一個(gè)共振點(diǎn)的轉(zhuǎn)速大約是1r/s。步進(jìn)電機(jī)是恒電流控制，發(fā)熱和噪音較大，同時(shí)沒有過載能力，電機(jī)力不夠就會(huì)堵轉(zhuǎn)，故選型時(shí)應(yīng)預(yù)留1.4-2倍安全系數(shù)。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器使用便捷無需復(fù)雜的調(diào)試就能使用。

3、閉環(huán)步進(jìn)

本體是步進(jìn)電機(jī)，增加位置反饋器件(光電編碼器或磁編碼器)，運(yùn)用類似伺服電機(jī)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(jìn)的3D和實(shí)物圖

3.1閉環(huán)步進(jìn)重要參數(shù)

編碼器精度：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。閉環(huán)步進(jìn)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(jìn)電機(jī)。

矩頻曲線：描述電機(jī)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(dòng)器會(huì)報(bào)超差報(bào)警。

3.2閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

圖八：閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

3.3 閉環(huán)步進(jìn)的特點(diǎn)

閉環(huán)步進(jìn)根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動(dòng)小于開環(huán)步進(jìn)，有編碼器反饋所以精度高于普通步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)響應(yīng)比開環(huán)步進(jìn)慢，運(yùn)行過程中存在位置誤差，誤差會(huì)在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低。高速力矩比開環(huán)步進(jìn)大，常見應(yīng)用在0-1500rpm場(chǎng)合。做插補(bǔ)機(jī)械剛性不足(皮帶結(jié)構(gòu))且負(fù)載慣量較大時(shí)，會(huì)因?yàn)槲恢酶櫿`差大導(dǎo)致偏位。小部分閉環(huán)步進(jìn)需要簡(jiǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)。位置模式下伺服電機(jī)靠脈沖來定位，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度。同時(shí)伺服電機(jī)編碼器具備反饋功能，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼器都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動(dòng)器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動(dòng)器就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

圖九：雷賽L5系列交流伺服產(chǎn)品實(shí)物圖

4.1伺服電機(jī)重要參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速：電動(dòng)機(jī)輸出最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(額定轉(zhuǎn)矩)、以額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。

額定轉(zhuǎn)矩：是指電機(jī)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(shí)，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)繞組溫度和驅(qū)動(dòng)器功率器件溫度不會(huì)超過最高允許溫度，電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)器不會(huì)損壞。

最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。在最大轉(zhuǎn)矩下短時(shí)工作不會(huì)引起電機(jī)損壞或性能不可恢復(fù)。

最大電流：伺服短時(shí)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(jī)短時(shí)間工作的最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速電機(jī)力矩下降，電機(jī)發(fā)熱量更大。

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

編碼器線數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)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(jìn)和閉環(huán)步進(jìn)。

伺服電機(jī)兩個(gè)重要公式：T=Kt*I，P=n(單位換算成弧度/秒)*T。

4.2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖十：伺服電機(jī)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(jī)的特點(diǎn)

交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點(diǎn)，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(chǎng)合。

交流伺服工作噪音振動(dòng)極小，發(fā)熱低。同體積下電機(jī)慣量轉(zhuǎn)子慣量小，400W伺服慣量?jī)H相當(dāng)于57基座2NM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。

伺服具備短時(shí)間過載能力，選型時(shí)需考慮加減速時(shí)電機(jī)過載倍數(shù)。

伺服采用閉環(huán)控制，同閉環(huán)步進(jìn)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(shí)間，以達(dá)到更好的插補(bǔ)效果。伺服需要調(diào)試才能使用。

5、三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比總結(jié)