伺服电机、步进电机工作原理与特点伺服电机步进电机的工作原理与特点一、伺服电机工作原理与特点伺服电动机又叫执行电动机或叫控制电动机。在自动控制系统中伺服电动机是一个执行元件它的作用是把信号(控制电压或相位)变换成机械位移也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在W,常用的是W以下。伺服电动机有直流和交流之分。、交流伺服电动机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似如图所示。其定子上装有两个位置互差的绕组一个是励磁绕组Rf它始终接在交流电压Uf上另一个是控制绕组L联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性无“自转”现象和快速响应的性能它与普通电动机相比应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子为了减小转子的转动惯量转子做得细长另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子杯壁很薄仅mm为了减小磁路的磁阻要在空心杯形转子内放置固定的内定子如图所示。空心杯形转子的转动惯量很小反应迅速而且运转平稳因此被广泛采用。图交流伺服电动机原理图图空心杯形转子伺服电动机结构交流伺服电动机在没有控制电压时定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场转子静止不动。当有控制电压时定子内便产生一个旋转磁场转子沿旋转磁场的方向旋转在负载恒定的情况下电动机的转速随控制电压的大小而变化当控制电压的相位相反时伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似但前者的转子电阻比后者大得多所以伺服电动机与单机异步电动机相比有三个显著特点:、起动转矩大由于转子电阻大其转矩特性曲线如图中曲线所示与普通异步电动机的转矩特性曲线相比有明显的区别。它可使临界转差率S,这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性而且具有较大的起动转矩。因此当定子一有控制电压转子立即转动即具有起动快、灵敏度高的特点。图伺服电动机的转矩特性、运行范围较宽如图所示较差率S在到的范围内伺服电动机都能稳定运转。、无自转现象正常运转的伺服电动机只要失去控制电压电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后它处于单相运行状态由于转子电阻大定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T,S、T,S曲线)以及合成转矩特性(T,S曲线)如图所示与普通的单相异步电动机的转矩特性(图中T′,S曲线)不同。这时的合成转矩T是制动转矩从而使电动机迅速停止运转。图伺服电动机单相运行时的转矩特性图是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时控制电压Uc愈高转速也愈高在控制电压一定时负载增加转速下降。图伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的输出功率一般是W。当电源频率为Hz电压有V、V、、V当电源频率为Hz电压有V、V、V、V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性并且由于转子电阻大损耗大效率低因此与同容量直流伺服电动机相比体积大、重量重所以只适用于W的小功率控制系统。、直流伺服电动机直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制就是励磁电压f一定建立的磁通量Φ也是定值而将控制电压Uc加在电枢上其接线图如图所示。图直流伺服电动机接线图直流伺服电动机的机构特性(n=f(T))和直流他励电动机一样也用下式表示:n=UcKEΦRaKEKTΦT图是直流伺服电动机在不同控制电压下(Uc为额定控制电压)的机械特性曲线。由图可见:在一定负载转矩下当磁通不变时如果升高电枢电压电机的转速就升高反之降低电枢电压转速就下降当Uc,时电动机立即停转。要电动机反转可改变电枢电压的极性。图直流伺服电动机的n=f(T)曲线直流伺服电动机和交流伺服电动机相比它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转起动转矩大等优点。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上区别交流伺服要好一些因为是正弦波控制转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单便宜。永磁交流伺服电动机世纪年代以来随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。年代以后世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较主要优点有:无电刷和换向器因此工作可靠对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。二、步进电机工作原理与特点步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响即给电机加一个脉冲信号电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机分三种:永磁式(PM)反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相转矩和体积较小步进角一般为度或度反应式步进一般为三相可实现大转矩输出步进角一般为度但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家年代已被淘汰混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为度而五相步进角一般为度。这种步进电机的应用最为广泛。反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。、结构:电机转子均匀分布着很多小齿定子齿有三个励磁绕阻其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。、て、て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示)即A与齿相对齐B与齿向右错开てC与齿向右错开てA’与齿相对齐(A’就是A齿就是齿)。、旋转:如A相通电BC相不通电时由于磁场作用齿与A对齐(转子不受任何力以下均同)。如B相通电AC相不通电时齿应与B对齐此时转子向右移过て此时齿与C偏移为て齿与A偏移(てて)=て。如C相通电AB相不通电齿应与C对齐此时转子又向右移过て此时齿与A偏移为て对齐。如A相通电BC相不通电齿与A对齐转子又向右移过て这样经过A、B、C、A分别通电状态齿(即齿前一齿)移到A相电机转子向右转过一个齿距如果不断地按ABCA通电电机就每步(每脉冲)て,向右旋转。如按ACBA通电电机就反转。由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用AABBBC,CCAA这种导电状态这样将原来每步て改变为て。甚至于通过二相电流不同的组合使其て变为てて这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻其轴线分别与转子齿轴线偏移m,m(m)m,。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机出于成本等多方面考虑市场上一般以二、三、四、五相为多。、力矩:电机一旦通电在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФdθ)成正比S其磁通量Ф=Br*SBr为磁密S为导磁面积F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度D为转子直径Br=NIRNI为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)因此电机有效体积越大励磁安匝数越大定转子间气隙越小电机力矩越大反之亦然。感应子式步进电机、特点:感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比结构上转子加有永磁体以提供软磁材料的工作点而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能因此该电机效率高电流小发热低。因永磁体的存在该电机具有较强的反电势其自身阻尼作用比较好使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动)而反应式电机则不能如此。例如:四相八相运行(AABBBCCCDDDAA)完全可以采用二相八拍运行方式不难发现其条件为C=,D=一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致小功率电机一般直接接为二相而功率大一点的电机为了方便使用灵活改变电机的动态特点往往将其外部接线为八根引线(四相)这样使用时既可以作四相电机使用可以作二相电机绕组串联或并联使用。、分类:感应子式步进电机以相数可分为二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、BYG、BYG、BYG、(国际标准)而像BYG、BYG、BYG等均为国内三、伺服电机和步进电机的区别步进电机是一种离散运动的装置它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为、五相混合式步进电机步距角一般为、。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机其步距角为德国百格拉公司(BERGERLAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为、、、、、、、兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例对于带标准线编码器的电机而言由于驱动器内部采用了四倍频技术其脉冲当量为=。对于带位编码器的电机而言驱动器每接收=个脉冲电机转一圈即其脉冲当量为=秒。是步距角为的步进电机的脉冲当量的。、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象比如在电机上加阻尼器或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能可涵盖机械的刚性不足并且系统内部具有频率解析机能(FFT)可检测出机械的共振点便于系统调整。、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降且在较高转速时会急剧下降所以其最高工作转速一般在,RPM。交流伺服电机为恒力矩输出即在其额定转速(一般为RPM或RPM)以内都能输出额定转矩在额定转速以上为恒功率输出。、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力在选型时为了克服这种惯性力矩往往需要选取较大转矩的电机而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩便出现了力矩浪费的现象。、运行性能不同步进电机的控制为开环控制启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象停止时转速过高易出现过冲的现象所以为保证其控制精度应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样内部构成位置环和速度环一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象控制性能更为可靠。、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要,毫秒。交流伺服系统的加速性能较好以松下MSMAW交流伺服电机为例从静止加速到其额定转速RPM仅需几毫秒可用于要求快速启停的控制场合。综上所述交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素选用适当的控制电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机利用其没有积累误差(精度为)的特点广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。步进相对于伺服价格便宜些～伺服电机内部的转子是永磁铁驱动器控制的UVW三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器驱动器根据反馈值与目标值进行比较调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。步进相对于伺服价格便宜些～步进适用在低速伺服适用于高速。