步進電機和交流伺服電機性能比較

ID:105323 · 發(fā)表于 2016-2-22 15:20

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著本質的聯(lián)系。在目前國內的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

二、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。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，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(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。

交流伺服電機運轉非常平穩(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。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

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(tǒng)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，可用于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，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

五、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出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)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(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(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。

六、速度響應性能不同

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(tǒng)的加速性能較好，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。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)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?shù)目刂齐姍C

直線異步電動機的結構主要包括定子、動子和直線運動的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內定子和動子之間具有良好的電磁場耦合，定子和動子的鐵心長度不等。定子可制成短定子和長定子兩種形式。由于長定子結構成本高、運行費用高，所以很少采用。直線電動機與旋轉磁場一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開有齒槽；槽中嵌有三相、兩相或單相繞組；單相直線異步電動機可制成罩極式，也可通過電容移相。直線異步電動機的動子有三種形式：
(1)磁性動子動子是由導磁材料制成（鋼板），既起磁路作用，又作為籠型動子起導電作用。
(2)非磁性動子，動子是由非磁性材料（銅）制成，主要起導電作用，這種形式電動機的氣隙較大，勵磁電流及損耗大。
(3)動子導磁材料表面覆蓋一層導電材料，導磁材料只作為磁路導磁作用；覆蓋導電材料作籠型繞組。
因磁性動子的直線異步電動機結構簡單，動子不僅作為導磁、導電體，甚至可以作為結構部件，其應用前景廣闊。
直線異步電動機的工作原理和旋轉式異步電動機一樣，定子繞組與交流電源相連接，通以多相交流電流后，則在氣隙中產生一個平穩(wěn)的行波磁場（當旋轉磁場半徑很大時，就成了直線運動的行波磁場）。該磁場沿氣隙作直線運動，同時，在動子導體中感應出電動勢，并產生電流，這個電流與行波磁場相互作用產生異步推動力，使動子沿行波方向作直線運動。若把直線異步電動機定子繞組中電源相序改變一下，則行波磁場移動方向也會反過來，根據(jù)這一原理，可使直線異步電動機作往復直線運動。
直線異步電動機主要用于功率較大場合的直線運動機構，如門自動開閉裝置，起吊、傳遞和升降的機械設備，驅動車輛，尤其是用于高速和超速運輸?shù)�。由于牽引力或推動力可直接產生，不需要中間連動部分，沒有摩擦，無噪聲，無轉子發(fā)熱，不受離心力影響等問題。因此，其應用將越來越廣。直線同步電動機由于性能優(yōu)越，應用場合與直線異步電動機相同，有取代趨勢。直線步進電動機應用于數(shù)控繪圖儀、記錄儀、數(shù)控制圖機、數(shù)控裁剪機、磁盤存儲器、精密定位機構等設備中。
同步式(次級為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機床用直線電機的主流

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