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动力类  
步进电机和伺服电机

 

对于当今的运动应用而言,伺服电机明显是一个好的选择,步进电机亦然。此外,比起前些年,步进电机不仅价格降低了,而且比以前更易于选型、安装和操作。可是,在这些方面,伺服电机也有同样发展。今天,对于“步进电机与伺服电机比较”问题的看法与从前一样模糊不清。两种电机利用了基本相同的技术发展并且以几乎相同的速度进步。与五年前相比,步进电机更好地满足了步进应用,伺服电机也同样更好地满足了伺服应用。

控制器改进
受益于技术发展特别多的一个领域是运动控制器。受到电子革命的推动,既能够运行步进电机又能够运行伺服电机的装置几乎在所有方面都变得更好了。最大的改进是在如Microsoft Windows等公用平台上运行的易于使用的接口的开发。标准接口和平台节省了时间和费用,简化了安装、编程和故障排除。

 


图1 永磁伺服电机有直流电刷和无刷两种形式。有刷形式需要的控制器比无刷形式需要的复杂程度低,常常用于低功率应用,无刷直流伺服电机(交流永磁型)需要复杂的电子电路用于通信。其绕组靠近电机外壳的外部,有助于冷却。由于没有电刷摩擦和电刷压降,它们的转动惯量也较小,更加高效、可靠
由于采用固态开关和智能电源模块,控制器也变得更小、功效更大。现在的电源开关装置降低了电压降和开关损耗,母线电压在565~680 VDC范围内具有额外的实用性,非常高效,常常能以较小的成套设备向电机传送两倍以上的功率。目前,智能模块是如此灵活和坚固,有些制造商甚至把它们放在电机外壳内部。通过附加的智能功能,现代运动控制器还提供多种反馈选项和控制战略,而且它们比以前结合了更多的功能。比如,通信板正在成为标准配置,在控制器和智能传动装置上实现了开放式总线结构— SynqJSct、Signet、Sercos、CanOpen、Profibus、DeviceNet、以太网。

有关的趋势是PC与PLC体系结构集成。在迅速发展的运动控制器中,“计算机”就集成在其中。在其他应用中,相反的做法更有意义:运动控制器嵌在机器控制器、PC和PLC中。无论以何种方式,机器和运动控制器之间长期存在的界限迅速缩小。对于设计人员,这真是个好消息,但是有一点必须说明,以防止误解。比起典型的机器使用寿命,电子技术的使用寿命提高更快。因此,任何不易于升级的机器都会相当快地被淘汰。计算机硬件和软件工程师避易就难地解决了这个问题:今天几乎每个电子元件,都必须向后兼容,尤其是在工业机械中。

磁性材料
与控制器一样,磁性材料在过去几年里也有了很大改进。更好的处理以及材料组成使稀土磁体具有更大的热容量,使供货商能够以较低的成本生产更高功率的电机磁体。电机中的透过效应意味着今天的大功率伺服电机和步进电机比其以前的型号价格更合理。

 


图2 一台步进电机相当于一台与电阻串联的感应器,因此,产生转矩的电流的增加需要时间,该时间常数限制了在任何给定电压的速度,所以在给定的应用中,可能需要较高的电压以提高电机的速度
此外,对于给定的实际机架规格,由于制造工艺提高,制造商可以安装比以前更多的绕组。这样电机能够产生(以及消除)更多热量,而不使磁体性能劣化。对于给定的效率,在相同的空间里更多的散热相当于更大的功率和转矩密度。

电机中最常使用的磁性材料包括钕(钕铁硼化物)、钐钴、铁素体和磁钢(铝镍钴合金)。它们各有各的优点,但前两种能够产生更高能量的磁体,生产更高效、更大功率的电机。实际上钕提供最高的能量,目前可以在温度180℃以下的电机中使用。由于钕粉价格降低,并且由于磁体制造商采用了替代(注压成型) 制造工艺,这种材料的性能会有很大改进。
但是,在现有的电机设计中采用高能量密度磁体并非没有缺点。这样的磁体通常会增加铁中的磁通密度,使外壳和电枢叠片饱和,增加铁损。为了避免这个问题,许多制造商正在设计新的电机系列,减少电流汲取,提高工艺效率。避免饱和是关键,因为一旦铁芯饱和,更大电流通常意味着只有用更多热量和更低效率来实现给定的输出。

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%。
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