步进电机和伺服电机(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:4

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更高功率的步进电机

使用步进电机还是伺服电机总是一个应根据应用情况来确定的问题。尽管根据以前的经验和舒适程度做出决策是很自然的，但是针对适当的工作选择适当的电机（无论是步进电机还是伺服电机），是更明智的做法。

一般而言，如果应用需要高生产能力，高速性能或高带宽以便进行干扰校正，比如在机器主轴中，则应选择伺服电机。如果性能和速度要求一般，在副轴中，比如机器调整和设置，则步进电机常常是更好的选择。对于副轴，步进电机是理想的选择，因为它们更易于设计到控制系统中而且操作费用低。在大多数情况下，步进电机不需要微调或反馈电路。由于其简单性，它们也更不易于发生故障。

现代步进电机还能比其前几代产品产生更高的功率。一个原因在于微处理器目前可以位于步进电机外壳内，严格控制电流。转子直径增加是另一个原因，配备“超大尺寸”转子的步进电机每单位体积产生更大转矩，以及更高的惯量。10：1负载与转子惯性比对于步进电机的尺寸确定是一个很好的经验法则，这也扩大了适合特定机架规格的应用范围。改善步进电机性能的其他因素包括内置反馈、微步进以及移动结束阻尼。尽管大多数步进电机是极其精确的开环运行，内置反馈提供额外的精确性。微步进是一种减少步长的工艺，在低速下产生较平稳的转矩，在高速下产生更高的分辨率。移动结束阻尼正如它的名称所暗示的，减少稳定时间，同时使精度最大化。

现在的步进电机可能还使用外部反馈，但与前几年相比，原因是不同的。有一个时期用过编码器，通过保持电流脉冲与轴交角同步帮助控制器避免失速。今天，这通常是不必要的，因为有运动电子装置处理“失速检测”。在使用反馈的地方，它有助于校正由于其他元件造成的未对准问题，比如定位表中的误差。也就是说，需要反馈的许多步进电机应用开始接近伺服系统的费用，在这种情况下，两种系统的优点和缺点均应考虑。

加大功率的伺服电机

比起步进电机，伺服电机有两个明显的优点：它们可以在广泛的速度范围上产生高转矩，而且是以小型成套装置完成的。在过去几年里，它们的价格也有了大幅度降低，主要是由于大量生产。

图5 无刷直流电机常常使用霍耳效应传感器，在正弦整流运动中，加电时使用霍耳传感器反馈以便在基于标准数字编码器反馈转换到正弦整流之前测定整流顺序，在六步传动装置中，霍耳传感器反馈单独测定整流

长期以来，微调问题曾经是困扰伺服电机用户的一大难题。实际上，有些伺服系统可以自动进行微调并适应任何机械系统而不降低性能。尽管伺服电机设计为高速运行，在精确控制下，它们也可以在极低的速度下运行，甚至低至0r/min。然而，在精度不成问题的地方，对于低速应用，步进电机通常是更经济的解决方案。一般而言，“低速”指低于1000 r/min。高于1000 r/min时，步进电机转矩开始下降，这是由于能量损失以及磁路时间常数的原因。相比之下，有类似转矩的伺服电机在达到约2500～3000 r/min或以上之前转矩不会下降。

其他因素，比如功率、转矩和重复性决定在1000～3000 r/min之间的速度范围内使用何种电机，如1.5kW（2hp）以上时，通常使用无刷伺服电机；1.5kW（2hp）以下时，伺服电机和步进电机性能趋向于重叠。在低速时，失速期间，或者保持负载时，对于给定的机架规格，步进电机（配备超大尺寸转子）比伺服电机能够产生更高转矩。该转矩使步进电机在没有齿轮箱或其他机械增益的情况下产生极其精确和刚性的低速运动。

在步进电机静止时，没有运动。相比之下，启用时，由于不断的闭环误差校正，伺服电机从来不静止。伺服电机的这种“高频振动”通常相当于不超过几个反馈计数，尽管在大多数应用中不易察觉，在另一些应用中却是绝对不可接受的。在重复性和分辨率被重视的地方，传统上伺服电机的领域，现在可以考虑步进电机了。要求负载必须是可预测的，或者只受到小外力的影响。此时，步进电机（开环运行）比相当的伺服电机解决方案可以节省30%。

原载MM《现代制造》杂志 (