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深圳市華科星電氣有限公司

華科星--智造筑夢者伺服電機(jī)讓自動化生產(chǎn)更簡單高效

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聚焦華科星,攜手創(chuàng)共贏

成本更低的步進(jìn)電機(jī)如何是替代伺服電機(jī)的

返回列表 來源: 發(fā)布日期: 2019.12.05

在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域,技術(shù)的進(jìn)步正在改變步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)之間的性能-成本比。

在采用了閉環(huán)技術(shù)后,閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)為用戶提供出色的精度和效率,既能達(dá)到伺服電機(jī)的性能,又具有步進(jìn)電機(jī)的低價優(yōu)勢。 成本更低的步進(jìn)電機(jī)正在逐漸滲透到原本被高成本伺服電機(jī)所支配的應(yīng)用領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)之對比

根據(jù)傳統(tǒng)的觀念,在需要速度超過800 RPM以及需要高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中,伺服控制系統(tǒng)性能更為出色。步進(jìn)電機(jī)則更適合用于 速度較低、低到中等加速度、需要較高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用。

那么這種關(guān)于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的傳統(tǒng)觀念的依據(jù)是什么呢?下面讓我們來詳細(xì)分析下。

1、結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)采用步進(jìn)方式轉(zhuǎn)動,利用磁線圈逐步拉動一個磁體,使其從一個位置到達(dá)下一個位置。要使電機(jī)在任何方向移動100個位置,電路都需要對電機(jī)進(jìn)行100次步進(jìn)操作。步進(jìn)電機(jī)利用脈沖實(shí)現(xiàn)遞增運(yùn)動,可以在不使用任何反饋傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)精確定位

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伺服電機(jī)的運(yùn)動方法是不同的。它在磁轉(zhuǎn)子上連接一個位置傳感器– 即編碼器 – 會持續(xù)檢測電機(jī)的準(zhǔn)確位置。伺服會監(jiān)控電機(jī)實(shí)際位置和指令位置之間的差異,并對電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這種閉環(huán)系統(tǒng)可以使電機(jī)保持在正確的運(yùn)動狀態(tài)。

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2、簡便性和成本

步進(jìn)電機(jī)不僅比伺服電機(jī)成本低,而且調(diào)試和維護(hù)都更加簡單。步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)是穩(wěn)定的,并能保持位置(即使是采用動態(tài)負(fù)載)。不過,如果某些應(yīng)用場合有更高的性能要求,則必須 采用更昂貴、更復(fù)雜的伺服電機(jī)。

3、定 位

在需要隨時了解機(jī)器準(zhǔn)確位置的應(yīng)用中,步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)有重要差別。在通過步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)運(yùn)動應(yīng)用中,控制系統(tǒng)認(rèn)為電機(jī)始終處于正確的運(yùn)動狀態(tài)。不過,在遇到問題以后,比如因為部件卡住而導(dǎo)致電機(jī)失速,控制器就無法了解機(jī)器的實(shí)際位置,從而導(dǎo)致失位。伺服電機(jī)本身的閉環(huán)系統(tǒng)具有一個優(yōu)勢:如果其被一個物體卡住,會立刻檢測到。機(jī)器會停止操作, 始終不會失位

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4、速度和轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性能差異源自他們不同的電機(jī)設(shè)計方案。步進(jìn)電機(jī)的極數(shù)比伺服電機(jī)多得多,因此步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一整圈,所需的繞組電流交換次數(shù)要多得多,從而導(dǎo)致在速度增加的情況下,其轉(zhuǎn)矩迅速下降。另外,如果達(dá)到了最大轉(zhuǎn)矩,步進(jìn)電機(jī)可能會失去 速度同步化功能。出于這些原因,在大部分高速應(yīng)用中,伺服電機(jī)都是首選方案。與此相反,步進(jìn)電機(jī)較多的極數(shù)在低速狀態(tài)下具有優(yōu)勢,因為此時步進(jìn)電機(jī)與同等尺寸的伺服電機(jī)相比具有轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢。

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隨著速度的增加,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會下降

5、熱和能耗

開環(huán)步進(jìn)電機(jī)采用固定電流,并會散發(fā)大量熱量。閉環(huán)控制只提供速度環(huán)路所需的電流,因此避免了電機(jī)發(fā)熱問題。

比較總結(jié)

伺服控制系統(tǒng)最適合涉及到動態(tài)負(fù)載變化的高速應(yīng)用,比如機(jī)械臂。步進(jìn)控制系統(tǒng)則更適合需要低到中加速度和高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用,比如3D打印機(jī)、傳送帶、副軸等。因為步進(jìn)電機(jī)成本更低,所以在使用之后,可以降低自動化系統(tǒng)的成本。運(yùn)動控制系統(tǒng)如果需要利用伺服電機(jī)的特性,就必須證明這些成本較高的電機(jī)物有所值。

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在閉環(huán)技術(shù)進(jìn)步的推動下,步進(jìn)電機(jī)能夠滲透到以前完全屬于伺服電機(jī)的高性能、高速度應(yīng)用領(lǐng)域

采用閉環(huán)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)

如果能閉環(huán)伺服技術(shù)優(yōu)勢適用于步進(jìn)電機(jī),那么效果會如何呢?

我們是否能在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)成本優(yōu)勢的同時,達(dá)到與伺服電機(jī)相仿的性能呢?

通過結(jié)合閉環(huán)控制技術(shù),步進(jìn)電機(jī)將會成為一個同時具備伺服和步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的低成本的綜合性產(chǎn)品。因為閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)能夠顯著提高性能和能效,所以可以在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中取代昂貴的伺服電機(jī)。

下面我們以嵌入了閉環(huán)控制功能拓達(dá)綜合步進(jìn)電機(jī)為例,解析采用閉環(huán)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)的性能與優(yōu)劣。

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采用閉環(huán)控制的拓達(dá)產(chǎn)品

經(jīng)過集成電子控制后的步進(jìn)電機(jī)相當(dāng)于一個雙相無刷直流電機(jī),可以執(zhí)行位置環(huán)路控制、速度環(huán)路控制、DQ控制、以及其他算法 。采用一個單圈絕對式編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)換向,從而確保可以在任何速度下達(dá)到最佳轉(zhuǎn)矩

低能耗以及保持冷卻狀態(tài)

拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)具有高能效。與始終按照全電流指令操作的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)會導(dǎo)致發(fā)熱和噪音問題不同, 拓達(dá)的電流會根據(jù)運(yùn)動的實(shí)際情況改變,比如在加速和減速過程中。與伺服類似,在任何時刻,這些步進(jìn)電機(jī)所消耗的電流都與所需的實(shí)際轉(zhuǎn)矩成正比。因為電機(jī)和集成電子控制板 運(yùn)行溫度更低,所以拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與伺服電機(jī)相仿的更高峰值轉(zhuǎn)矩

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即使在高速度下,拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)所需的電流也更小

精確匹配性能要求

為了確保有足夠的轉(zhuǎn)矩來克服干擾和避免失步,開環(huán)步進(jìn)電機(jī)通常要保證轉(zhuǎn)矩至少比應(yīng)用所需的數(shù)值高40% 。閉環(huán)拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)則不存在這個問題。在這些步進(jìn)電機(jī)因為過載而達(dá)到失速狀態(tài)時,它們會 繼續(xù)保持負(fù)載狀態(tài),不會失去轉(zhuǎn)矩。在消除過載狀態(tài)后,它們會繼續(xù)運(yùn)行。在任何指定速度下,都可以保證最大轉(zhuǎn)矩,同時通過位置傳感器來確保 不會失步。因此,閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格可以精確匹配相關(guān)應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩要求,不需要額外增加40%的裕度。

對于開環(huán)步進(jìn)電機(jī),因為有失步的風(fēng)險,所以難以滿足較高的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩需求。拓達(dá)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)很快的加速,運(yùn)行噪音更低,并且共振比傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)更小。它們可以在更高的帶寬下操作,并實(shí)現(xiàn)出色的性能。

無柜機(jī)器

拓達(dá)將驅(qū)動控制板與電機(jī)集成在一起,減少了連線數(shù)量,簡化了實(shí)施方案。 使用 拓達(dá),可以建造無柜機(jī)器。

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將電子設(shè)備與步進(jìn)電機(jī)集成在一起,可以降低復(fù)雜度

結(jié)語

閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)改變了很多運(yùn)動控制應(yīng)用中的性能-成本比。因為擁有出色的精度和能效,所以拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)能夠用于過去以更昂貴伺服電機(jī)為主的領(lǐng)域。拓達(dá)閉環(huán)進(jìn)步電機(jī)的成功也為讓我們看到了一種可能——低成本的 步進(jìn)電機(jī)替代高成本 伺服電機(jī)

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