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【资讯】步进电机与伺服电机的区别步进电机驱动方式有哪些植绒机

时间:2020/10/17 03:10:19 编辑:

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。下面小编来为大家介绍步进电机与伺服电机的区别、步进电机驱动方式、特点、日常保养、选用方法。

步进电机与伺服电机的区别

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(BERGERLAHR)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MSMA400W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。

步进电机驱动方式

一、整步驱动

对于整步驱动方式,电机是走一个整步,如对于一个步进角是3.6°的步进电机,整步驱动是每走一步是走3.6°。下图是整步驱动方式中,电机定子的电流次序示意图:

由上图可知,整步驱动每一时刻只有一个相通电,所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单,程序代码也是相对容易实现,且由上图可以得到电机整步驱动相序如下:BB’→A’A→B’B→AA’→BB’。

下图是这种驱动方式的电流矢量分割图:

可见,整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。

下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图:

总结:

可以看出,整步驱动的缺点:描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机,低速时电机会抖动,噪声会比较大。但是,这种驱动方式的优点:无论在硬件或软件上都是相对简单,从而驱动器制造成本容易得到控制。

二、半步驱动

对于半步驱动方式,电机是走一个半步,如对于一个步进角是3.6°的步进电机,半步驱动是每走一步,是走1.8°(3.6°/2)。下图是半步驱动方式中,电机定子的电流次序示意图:

由上图可见,半步驱动方式的比整步驱动方式相对复杂一些,在同一时刻,可能两个相都需要被通电,如果要求电机转动的力矩平稳,则需要在两相同时通电时,通电电流应该为单相通电电流的sin(45°),即√2/2。当然,可以直接通以和单相通电流相等的电流,结果是电机转动过程中的力矩不恒定,但它带来的好处是驱动电路或软件编写的简化。以下是这种的驱动方式的驱动相序:

BB’→BB’ A’A→A’A→B’B A’A→ B’B→B’B AA’→AA’→ AA’ BB’。

如果需要反转,只需按以上相序的逆向进行通电即可。当按以上相序对电机通电,产生的电流矢量则可以把一个圆分割成8份,如下图所示:

半步驱动一方面使电机的步进分辨率提高了一倍,且电机运转会更为平稳。对比地,半步驱动方式的两相电流图如下图所示:

总结:

由上图看出,半步驱动方式的优点:描出的正弦波较之整步驱动方式,有了改观,提高了精度。这样的好处是在无需更改电机的情况下,电机的步进角分辨率提高了一倍,且电机运行相对安静一些。

三、细分驱动

如下图,可以看出某种规律:

看上图,电流矢量分割圆越来越稠密,如上图的c。这是4细分驱动的分割图,从宏观上可想象,电机转子走一步的角度将会随着细分数的增加而减小,电机转动也越来越平稳、安静。从某种意义上,整步和半步驱动也是细分驱动的一样,它们的关系就如正方形和长方形的关系。

上图是4细分驱动方式的两相电流图,由图看出,这时每相电流的曲线较半步驱动时的电流曲线更加细腻。

电流细分是细分驱动的其中一种方法,恒流的实现常用斩波驱动,给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分,这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈,可以不需要反馈地实现电机的细分驱动,但是由于电机的反电势等的作用,正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流,效果没有电流细分好,但是它的驱动电路相对简单。

步进电机的特点

1、一般步进电机的精度误差为步距角的3-5%,且不累积。

2、步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大,在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

步进电机日常保养

1、拆卸电动机时,从轴伸端或非伸端取出转子都可以。

2、使用环境应经常保持干燥,电动机表面应保持清洁,进风口不应受尘土、纤维等阻碍。

3、当电动机的热保护连续发生动作时,应查明故障来自电动机还是超负荷或保护装置整定值太低,消除故障后,方可投入运行。

4、当轴承的寿命终了时,电动机运行的振动及噪声将明显增大,检查轴承的径向游隙达到下列值时,即应更换轴承。

5、更换绕组时必须记下原绕组的形式,尺寸及匝数,线规等,当这些数据丢失时,应向制造厂索取,随意更改原设计绕组,常常使电动机某项或几项性能恶化,甚至于无法使用。

步进电机选用方法

第一步:步进电机的保持转矩,相当于传统电机所说的“功率”。当然,他们有着本质的区别。步进电机的物理结构,完全不同于普通的交、直流电机,它的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小,来选择哪种型号的步进电机。大致来说,扭力在0.8n.m以下的,一般选择28、35、39、42;扭力在1N.m左右的,选择57电机较为合适。扭力在几N.m或更大的情况下,就应当选择转矩更大的75、85、86、90、110、130等规格的步进电机。同时,我们还应考虑电机的转速。因为,电机的输出转矩,与转速成反比关系。就是说,步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速,其输出转矩较大),在高速旋转状态的转矩就很小了。当然,有些工作环境需要高速电机,就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行综合权衡。选择电感稍小一些的电机,作为高速电机,能够获得较大输出转矩。反之,要求低速大力矩的情况下,就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。

第二步:步进电机空载启动频率,一般称为“空起频率”。这是选购步进电机很重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止,并且,转速在1000转/分钟左右或更高。最好选择反应式或永磁式步进电机,这些电机的“空起频率”都比较高。

第三步:步进电机的相数选择,这项内容,很多客户几乎没有什么重视,大多是随便购买。其实,不同相数的电机,工作效果是不同的。相数越多,步距角就能够做的比较小,工作时的振动就相对小一些。大多数场合,使用两相、三相、五相混合式步进电机的比较多。在高速大力矩的工作环境,选择三相步进电机是很实用的。

第四步:防水防腐型步进电机能够防水、防油,适用于某些特殊场合。例如水下机器人,就需要放水电机。75BYG系列步进电机大多具有防水结构。对于特种用途的电机,就要针对性选择了。

第五步:特殊规格的步进电机,通常需要和生产厂家沟通,在技术允许的范围内,加工订做。例如,出轴的直径、长短、伸出方向等。

上文相关知识大家都了解了吗?这些是小编为大家介绍的步进电机与伺服电机的区别、步进电机驱动方式、特点、日常保养、选用方法。未来,步进电机将继续沿着小型化的方向发展。现在的步进电机就已经具备着体积小这个特点,在未来其会继续沿着小型化的方向发展,以此进一步简化整机结构,尤其是减小自身占用的空间。并且步进电机将改圆形电动机为方形电动机。当前的步进电机主要是圆形结构,在未来其将朝着方形电动机的方向发展,以不同的形状满足不同机械的电机使用需求,实现更为广泛的应用。当然,还要对电动机进行综合设计。虽然当前的步进电机已经具备着众多优势和优点,但依然在某些方面有提升的空间,尤其是在综合使用效果上依然能够进行提升,所以在未来该产品必然会在有综合性设计这个发展趋势,会从整体的方面进行提升,甚至是与机械一同进行设计。

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