步進電機和伺服電機的比較
2007/11/2 14:10:00
步進電機作為一種數(shù)字式執(zhí)行元件,在運動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。許多用戶朋友在使用步進電機的時候,感覺電機工作時有較大的發(fā)熱,心存疑慮,不知這種現(xiàn)象是否正常。實際上發(fā)熱是步進電機的一個普遍現(xiàn)象,但怎樣的發(fā)熱程度才算正常,以及如何盡量減小步進電機發(fā)熱呢?本文將對這些問題做一簡單的分析。 1、 步進電機為什么會發(fā)熱 對于各種步進電機而言,內部都是由鐵芯和繞組線圈組成的。繞組有電阻,通電會產生損耗,損耗大小與電阻和電流的平方成正比,這就是我們常說的銅損,如果電流不是標準的直流或正弦波,還會產生諧波損耗;鐵心有磁滯渦流效應,在交變磁場中也會產生損耗,其大小與材料,電流,頻率,電壓有關,這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來,從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出,效率比較低,電流一般比較大,且諧波成分高,電流交變的頻率也隨轉速而變化,因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況,且情況比一般交流電機嚴重。 2、步進電機發(fā)熱的合理范圍: 電機發(fā)熱允許到什么程度,主要取決于電機內部絕緣等級。內部絕緣性能在高溫下(130度以上)才會被破壞。所以只要內部不超過130度,電機便不會損壞,而這時表面溫度會在90度以下。所以,步進電機表面溫度在70-80度都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點溫計的,也可以粗略判斷:用手可以觸摸1-2秒以上,不超過60度;用手只能碰一下,大約在70-80度;滴幾滴水迅速氣化,則90度以上了。 3、步進電機發(fā)熱隨速度變化的情況: 采用恒流驅動技術時,步進電機在靜態(tài)和低速下,電流會維持相對恒定,以保持恒力矩輸出。速度高到一定程度,電機內部反電勢升高,電流將逐步下降,力矩也會下降。因此,因銅損帶來的發(fā)熱情況就與速度相關了。靜態(tài)和低速時一般發(fā)熱高,高速時發(fā)熱低。但是鐵損(雖然占的比例較?。┳兓那闆r卻不盡然,而電機整個的發(fā)熱是二者之和,所以上述只是一般情況。 4、發(fā)熱帶來的影響: 電機發(fā)熱雖然一般不會影響電機的壽命,對大多數(shù)客戶來說沒必要理會。但是,嚴重的發(fā)熱會帶來一些負面影響。如電機內部各部分熱膨脹系數(shù)不同導致結構應力的變化和內部氣隙的微小變化,會影響電機的動態(tài)響應,高速會容易失步。又如有些場合不允許電機的過度發(fā)熱,如醫(yī)療器械和高精度的測試設備等。因此對電機的發(fā)熱應當進行必要的控制。 5、如何減少電機的發(fā)熱: 減少發(fā)熱,就是減少銅損和鐵損。 減少銅損有兩個方向,減少電阻和電流,這就要求在選型時盡量選擇電阻小和額定電流小的電機,對兩相電機,能用串聯(lián)的電機就不用并聯(lián)電機。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已經(jīng)選定的電機,則應充分利用驅動器的自動半流控制功能和脫機功能,前者在電機處于靜態(tài)時自動減少電流,后者干脆將電流切斷。另外,細分驅動器由于電流波形接近正弦,諧波少,電機發(fā)熱也會較少。 減少鐵損的辦法不多,電壓等級與之有關,高壓驅動的電機雖然會帶來高速特性的提升,但也帶來發(fā)熱的增加。所以應當選擇合適的驅動電壓等級,兼顧高速性,平穩(wěn)性和發(fā)熱,噪音等指標。 和步進電機相比,伺服電機有以下幾點優(yōu)勢: 1、實現(xiàn)了位置,速度和力矩的閉環(huán)控制;克服了步進電機失步的問題; 2、高速性能好,一般額定轉速能達到2000~3000轉; 3、抗過載能力強,能承受三倍于額定轉矩的負載,對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用; 4、低速運行平穩(wěn),低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合; 5、電機加減速的動態(tài)相應時間短,一般在幾十毫秒之內; 6、發(fā)熱和噪音明顯降低。 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)) 關于驅動器的細分原理及一些相關說明(轉載) 在國外,對于步進系統(tǒng),主要采用二相混合式步進電機及相應的細分驅動器。 但在國內,廣大用戶對“細分”還不是特別了解,有的只是認為,細分是為了提高精 度,其實不然,細分主要是改善電機的運行性能,現(xiàn)說明如下:步進電機的細分控制是由驅 動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的,以二相電機為例,假如電機的額定相電流為3A, 如果使用常規(guī)驅動器(如常用的恒流斬波方式)驅動該電機,電機每運行一步,其繞組內的 電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0,相電流的巨大變化,必然會引起電機運行的振動和噪 音。如果使用細分驅動器,在10細分的狀態(tài)下驅動該電機,電機每運行一微步,其繞組內的 電流變化只有0.3A而不是3A,且電流是以正弦曲線規(guī)律變化,這樣就大大的改善了電機的振 動和噪音,因此,在性能上的優(yōu)點才是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅動器要精確控制電機的 相電流,所以對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求,成本亦會較高。注意,國內有一 些驅動器采用“平滑”來取代細分,有的亦稱為細分,但這不是真正的細分,望廣大用戶一 定要分清兩者的本質不同: 1.“平滑”并不精確控制電機的相電流,只是把電流的變化率變緩一些,所以“平 滑”并不產生微步,而細分的微步是可以用 來精確定位的。 2.電機的相電流被平滑后,會引起電機力矩的下降,而細分控制不但不會引起電機力矩的 下降,相反,力矩會有所增加。 (一)步進電機的選擇 步進電機有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進電機的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求,將負載的最小分辨率(當量)換算到電機軸上,每個當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度 (三相電機)等。 2、靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載,而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負載均要考慮,加速起動時主要考慮慣性負載,恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下,靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好,靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸) 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機,由于電流參數(shù)不同,其運行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機的電流(參考驅動電源、及驅動電壓) 4、力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的,一般只用力矩來衡量,力矩與功率換算如下: P= Ω•M Ω=2π•n/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦,Ω為每秒角速度,單位為弧度,n為每分鐘轉速,M為力矩單位為牛頓•米 P=2πfM/400(半步工作) 其中f為每秒脈沖數(shù)(簡稱PPS) (二)、應用中的注意點 1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉,(0.9度時6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用,可通過減速裝置使其在此間工作,此時電機工作效率高,噪音低。 2、步進電機最好不使用整步狀態(tài),整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因,只有標稱為12V電壓的電機使用12V外,其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ,可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓(建議:57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V),當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源, 不過要考慮溫升。 4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。 5、電機在較高速或大慣量負載時,一般不在工作速度起動,而采用逐漸升頻提速,一電機不失步,二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時,應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決,也可以采用5相電機,不過其整個系統(tǒng)的價格較貴,生產廠家少,其被淘汰的說法是外行話。 7、電機不應在振動區(qū)內工作,如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機在600PPS(0.9度)以下工作,應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。 9、應遵循先選電機后選驅動的原則。五、其他說明 有關低頻振動、升降速、機械共振、工作往復運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述,我廠用戶可來電咨詢,可根據(jù)具體情況解決。 不同廠家的電機在設計、使用材料及加工工藝方面差別很大,選用步進電機應注重可靠性而輕性能、重品質而輕價格。 最好采用同一生產廠家的控制器、驅動器和電機。這樣便于最終客戶的維護。
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