低成本的步进电机能替代高成本伺服电机吗?

发布日期:2022-09-03 浏览次数:81


在越来越标准的工业自动化应用中,技术进步改变了步进电机和伺服电机的性能成本比。

采用闭环技术后,闭环步进电机不仅能实现用户伺服电机的性能,还提供步进电机价格低的优点,具有优良的精度和效率。低成本步进电机逐渐渗透到高成本伺服电机原本控制的领域。
 
步进电机与伺服电机的比较
 
根据以往的概念,伺服控制系统的性能在要求高速动态响应800rpm以上的应用中非常优秀。步进电机适用于低速、中速和高保持扭矩的应用。
步进电机和伺服电机的传统概念是什么?详细分析一下吧。
 
1、结构
 
步进电机逐步旋转,使用磁线圈逐渐从一个位置取出下一个磁铁。为了使电机在任意方向上移动到100个位置,电路需要步进100次电机。步进电机使用脉冲实现增量运动,并且可以在没有反馈传感器的情况下实现精确定位。
 
伺服电机的运动方法不同。将位置传感器-编码器连接到磁转子上,连续检测电机的正确位置。伺服监视实际位置与电机指令位置之间的差,并根据该差调整电流。该闭环系统能够使电机保持正确的运动状态。
 
 
2、简便性和成本
 
步进电机不仅比伺服电机便宜,而且易于调试和维护。步进电机可以静态稳定并保持位置。然而,如果一些应用程序具有更高的性能要求,则必须使用更昂贵且复杂的伺服电机。
 
 
3、定位
 
步进电机和伺服电机之间有重要区别。在应用步进电机控制的开环运动时,控制系统认为电机始终处于正确的运动状态。但是,发生堆栈部件引起的电机围襟等问题时,无法把握实际位置,导致位置偏移。伺服电机自身的闭环系统具有优点。机器不会停止动作,也不会失去它的位置。
 
4、速度和转矩
 
步进电机和伺服电机之间的性能差是由不同的电机设计方式产生的。步进电机的极数是伺服电机的极数。因此,当步进电动机全周旋转时,绕组电流的交流数变多,速度变快时扭矩急剧减少。另外,达到最大扭矩时,步进电机有可能失去速度同步功能。基于以上理由,伺服电机是在最高速应用中最好的解决方案。与此相对,由于步进电机与同等尺寸的伺服电机相比具有扭矩优势,所以极数的步进电机低速行驶是有利的。
 
随着速度的增加,步进电机的扭矩减小
 
5、热和能耗
 
开环步进电机采用固定电流,并会散发大量热量。闭环控制只提供速度环路所需的电流,因此避免了电机发热问题。
 
比较总结
 
伺服控制系统最适合包含机器人等动态负荷变化的高速应用。步进控制系统适用于要求3D打印机、传送带、计数器轴等中、低加速、高保持扭矩的用途,由于步进电机的成本低,所以能够降低使用后的成本。如果运动控制系统需要利用伺服电机的特性,就必须证明这些高成本电机有价值。
 
 
在闭环技术进步的推动下,步进电机能够渗透到以前完全属于伺服电机的高性能、高速度应用领域
 
 
采用闭环技术的步进电机
 
如果能将闭环伺服技术优势适用于步进电机,那么效果会如何呢?
我们是否能在实现步进电机成本优势的同时,达到与伺服电机相仿的性能呢?
通过结合闭环控制技术,步进电机将会成为一个同时具备伺服和步进电机优点的低成本的综合性产品。因为闭环步进电机能够显著提高性能和能效,所以可以在越来越多的高标准应用中取代更昂贵的伺服电机。  
下面我们以嵌入了闭环控制功能一体化综合步进电机为例,解析采用闭环技术的步进电机的性能与优劣。
 
采用闭环控制的一体化产品
 
经过集成电子控制后的步进电机相当于一个双相无刷直流电机,可以执行位置环路控制、速度环路控制、DQ控制、以及其他算法。采用一个单圈绝对式编码器实现闭环换向,从而确保可以在任何速度下达到最佳转矩。
 
低能耗以及保持冷却状态
一体化步进电机具有高能效。与始终按照全电流指令操作的开环步进电机会导致发热和噪音问题不同,一体化的电流会根据运动的实际情况改变,比如在加速和减速过程中。与伺服类似,在任何时刻,这些步进电机所消耗的电流都与所需的实际转矩成正比。因为电机和集成电子控制板运行温度更低,所以一体化步进电机可以实现与伺服电机相仿的更高峰值转矩。
 
即使在高速度下,一体化步进电机所需的电流也更小
 
精确匹配性能要求
 
为了确保有足够的转矩来克服干扰和避免失步,开环步进电机通常要保证转矩至少比应用所需的数值高40%。闭环一体化步进电机则不存在这个问题。在这些步进电机因为过载而达到失速状态时,它们会继续保持负载状态,不会失去转矩。在消除过载状态后,它们会继续运行。在任何指定速度下,都可以保证最大转矩,同时通过位置传感器来确保不会失步。因此,闭环步进电机的规格可以精确匹配相关应用的转矩要求,不需要额外增加40%的裕度。
对于开环步进电机,因为有失步的风险,所以难以满足较高的瞬态转矩需求。一体化闭环步进电机可以实现很快的加速,运行噪音更低,并且共振比传统步进电机更小。它们可以在更高的带宽下操作,并实现出色的性能。 
 
无柜机器
 
一体化将驱动控制板与电机集成在一起,减少了连线数量,简化了实施方案。 使用一体化,可以建造无柜机器。
 
 
将电子设备与步进电机集成在一起,可以降低复杂度
 
 
结语
闭环步进电机改变了很多运动控制应用中的性能-成本比。因为拥有出色的精度和能效,所以一体化步进电机能够用于过去以更昂贵伺服电机为主的领域。一体化闭环进步电机的成功也为让我们看到了一种可能——低成本的步进电机替代高成本伺服电机。