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【電腦3D列印.CNC雕刻機.雷射雕刻機】步進電機(馬達)和交流伺服電機效能比較

  步進電機(馬達)是一種離散運動的裝置,它和現代數字控制技術有著本質的聯繫。
在目前國內的數字控制系統中,步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現,交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。

為了適應數字控制的發展趨勢,運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。
雖然兩者在控制模式上相似(脈衝串和方向信號),但在使用效能和應用場合上存在著較大的差異。

現就二者的使用效能作一比較:

一、控制精度不同
兩相混合式步進電機步距角一般為1.8°、0.9°,三相混合式步進電機步距角一般為1.2°、0.6°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高效能的步進電機步距角更小,如有一種用於慢走絲機床的步進電機,其步距角為0.09°;不過現在大多數的步進電機磁碟機都已經具備步矩角細分功能,所以混合式步進電機通過磁碟機的撥碼開關設定細分,可以將電機每轉脈衝數細分為200、400、800……甚至51200。
交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例,對於帶標準2500線編碼器的電機而言,由於磁碟機內定採用了四倍頻技術,其脈衝當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言,磁碟機每接收217=131072個脈衝電機轉一圈,即其脈衝當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。


 

二、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和磁碟機效能有關,一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。


這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的標準運轉非常不利。
當步進電機工作在低速時,一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象,比如在電機上加阻尼器,或磁碟機上採用細分技術等。

交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。
交流伺服系統具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,並且系統內定具有頻率解析機能(FFT),可檢驗出機械的共振點,便於系統調整。

三、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。
交流伺服電機為恆力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恆功率輸出。

四、過載能力不同
步進電機一般不具有過載能力。
交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例,它具有速度過載和轉矩過載能力。
其最大轉矩為額定轉矩的三倍,可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。
步進電機因為沒有這種過載能力,在選型時為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉矩的電機,而機器在標準工作期間又不需要那麼大的轉矩,便出現了力矩浪費的現象。

五、運行效能不同
步進電機的控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖的現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。
交流伺服驅動系統為閉環控制,磁碟機可直接對電機編碼器反饋信號進行取樣,內定構成位置環和速度環,一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象,控制效能更為可靠。

六、速度響應效能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200~400毫秒。
交流伺服系統的加速效能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用於要求快速啟停的控制場合。

綜上所述,交流伺服系統在許多效能方面都優於步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。
所以,在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當的控制電機。

磁碟機選型原則:
1.根據所選步進電機電流大小選取最大電流大於電機電流20%的磁碟機。
2.對於精度要求高的,選取合適的細分數(將步距角細分更小角度)。

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