電子發(fā)燒友App
本文主要是關(guān)于步進電機驅(qū)動器與伺服電機驅(qū)動器的相關(guān)介紹，并著重對步進電機驅(qū)動器與伺服電機驅(qū)動器進行了詳盡的對比區(qū)分。
步進電機驅(qū)動器
步進電機驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速和定位的目的。
分類
步進電機按結(jié)構(gòu)分類：步進電動機也叫脈沖電機，包括反應(yīng)式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。
（1）反應(yīng)式步進電動機：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅(qū)動電壓較高）；步距角小（最小可做到10’）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機內(nèi)阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。
（2）永磁式步進電動機：通常電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩小（消耗功率較小，電流一般小于2A，驅(qū)動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較低。
（3）混合式步進電動機：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進電動機，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。其定子和四相反應(yīng)式步進電動機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖信號；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較高；發(fā)展較快的一種步進電動機。 ［1］
系統(tǒng)控制
步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電動機驅(qū)動器）。控制器（脈沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
型號
F3922、F3722L、F3722、F3722A、F3722M、F368、F3522A、F3522H、F3522、F2611、F268C、
中科F223步進電機驅(qū)動器
中科F223步進電機驅(qū)動器
F875、F556、F256B、F265、F255、F235B、F245、F223
F 3 5 2 2
1、F表示步進驅(qū)動器
2、表示相數(shù)，2表示兩相，3表示3相
3、5表示電流5安培
4、22表示電壓220V
基本原理
步進電機驅(qū)動器的原理，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。
四相步進電機步進示意圖 開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。
四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示。驅(qū)動器相當(dāng)于開關(guān)的組合單元。通過上位機的脈沖信號有順序給電機相序通電使電機轉(zhuǎn)動。
伺服電機驅(qū)動器
伺服驅(qū)動器（servo drives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。
工作原理
目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，
可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。
隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動器使用、伺服驅(qū)動器調(diào)試、伺服驅(qū)動器維修都是伺服驅(qū)動器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅(qū)動器進行了技術(shù)深層次研究。
伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動器設(shè)計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。
基本要求
伺服進給系統(tǒng)的要求
1、調(diào)速范圍寬
2、定位精度高
3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性
4、快速響應(yīng)，無超調(diào)
為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。
5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強
一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。
6、可靠性高
要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應(yīng)能力和很強的抗干擾的能力。
對電機的要求
1、從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。
2、電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。
3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。
4、電機應(yīng)能承受頻繁啟、制動和反轉(zhuǎn)。
步進電機驅(qū)動器與伺服電機驅(qū)動器的區(qū)別
1， 怎樣選擇步進和伺服電機？
主要視具體應(yīng)用情況而定，簡單地說要確定：負載的性質(zhì)（如水平還是垂直負載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，或電池供電，電壓范圍。據(jù)此以確定電機和配用驅(qū)動器或控制器的型號。
2， 選擇步進電機還是伺服電機系統(tǒng)？
其實，選擇什么樣的電機應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況而定，各有其特點。
3， 如何配用步進電機驅(qū)動器？
根據(jù)電機的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細分型驅(qū)動器。對于大轉(zhuǎn)矩電機，盡可能用高電壓型驅(qū)動器，以獲得良好的高速性能。
4， 2 相和5 相步進電機有何區(qū)別，如何選擇？
2 相電機成本低，但在低速時的震動較大，高速時的力矩下降快。 5 相電機則振動較小，高速性能好，比 2 相電機的速度高 30~50% ，可在部分場合取代伺服電機。
5， 何時選用直流伺服系統(tǒng)，它和交流伺服有何區(qū)別？
直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。
6， 使用電機時要注意的問題？
上電運行前要作如下檢查： 1） 電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅(qū)動模塊的損壞）；對于直流輸入的 +/- 極性一定不能接錯，驅(qū)動控制器上的電機型號或電流設(shè)定值是否合適（開始時不要太大）； 2） 控制信號線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場最好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）； 3） 不要開始時就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統(tǒng)，運行良好后，再逐步連接。 4） 一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。 5） 開始運行的半小時內(nèi)要密切觀察電機的狀態(tài)，如運動是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機調(diào)整。
7， 步進電機啟動運行時，有時動一下就不動了或原地來回動，運行時有時還會失步，是什么問題？
一般要考慮以下方面作檢查： 1） 電機力矩是否足夠大，能否帶動負載，因此我們一般推薦用戶選型時要選用力矩比實際需要大 50%~100% 的電機，因為步進電機不能過負載運行，哪怕是瞬間，都會造成失步，嚴(yán)重時停轉(zhuǎn)或不規(guī)則原地反復(fù)動。 2） 上位控制器來的輸入走步脈沖的電流是否夠大（一般要 》10mA ），以使光耦穩(wěn)定導(dǎo)通，輸入的頻率是否過高，導(dǎo)致接收不到，如果上位控制器的輸出電路是 CMOS 電路，則也要選用 CMOS 輸入型的驅(qū)動器。 3） 啟動頻率是否太高，在啟動程序上是否設(shè)置了加速過程，最好從電機規(guī)定的啟動頻率內(nèi)開始加速到設(shè)定頻率，哪怕加速時間很短，否則可能就不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。 4） 電機未固定好時，有時會出現(xiàn)此狀況，則屬于正常。因為，實際上此時造成了電機的強烈共振而導(dǎo)致進入失步狀態(tài)。電機必須固定好。 5） 對于 5 相電機來說，相位接錯，電機也不能工作。
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機安設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到高速的目的。
伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，步進電機是開環(huán)控制。
步進電機和伺服電機的區(qū)別在于：1、控制精度不同。步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同；一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。3、低頻特性不同；步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。4、矩頻特性不同；
步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出，5、過載能力不同；步進電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。6、運行性能不同；步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。7、速度響應(yīng)性能不同；步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，但是價格比就不一樣了。
結(jié)語
關(guān)于步進電機驅(qū)動器與伺服電機驅(qū)動器的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論