论步进电机与伺服电机的区别以及国内外伺服电机的差别.docx

机械工程与应用电子技术学院电力拖动系统课程设计报告姓 名 黄振旺 学 号 10010131 指导老师 张军 成 绩 2014年 1 月 6 日问题1：从技术角度将伺服电机与步进电机作对比。答：1、步进电机：根据资料描述，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步进电机件。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，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。伺服电机：在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。2. 伺服电机与步进电机的性能比较：步进电机作为一种开环控制的系统，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。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为 1.8、0.9，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，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。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000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360/8000=0.045。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.0027466，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。二、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。三、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300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、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。以三洋交流伺服系统为例，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二到三倍，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。五、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。六、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200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM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。6选型计算一、转速和编码器分辨率的确认。二、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。三、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。四、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。五、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。7制动方式用户往往对电磁制动，再生制动，动态制动的作用混淆，选择了错误的配件。动态制动器由动态制动电阻组成，在故障、急停、电源断电时通过能耗制动缩短伺服电机的机械进给距离。再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线，经阻容回路吸收。电磁制动是通过机械装置锁住电机的轴。三者的区别：(1)再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用，在故障、急停、电源断电时等情况下无法制动电机。动态制动器和电磁制动工作时不需电源。(2)再生制动的工作是系统自动进行，而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。(3)电磁制动一般在SV、OFF后启动，否则可能造成放大器过载，动态制动器一般在SV、OFF或主回路断电后启动，否则可能造成动态制动电阻过热。总结：伺服电机优点与步进电机比较所具有的优点：1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、舒适性：发热和噪音明显降低。缺点：成本比步进电机高。综合：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。问题2：分别从技术角度对比欧美日伺服电机与国产伺服电机，并给出国产电机与其的差距。答：1.国外伺服电机发展历史：20世纪80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, 并不断完善和更新。德国MANNESMANN 的Rex roth 公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC 永磁交流伺服电动机和驱动系统, 这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期, 各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足, 尚不能完全满足运动控制的要求,近年来随着微处理器、新型数字信号处理器( DSP)的应用, 出现了数字控制系统, 控制部分可完全由软件进行的永磁交流伺服系统。到目前为止, 高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机, 控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、百格拉, 美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司。下面来介绍他们的产品和规格。1 日本安川电机的交流伺服电动机日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机, 其中D 系列适用于数控机床(最高转速为1 000r/m in, 力矩为0. 25 2. 8 N# m ) , R 系列适用于机器人(最高转速为3 000 r /m in, 力矩为0. 016 0. 16N # m) , 之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。安川系列的伺服电机的最高转速可达5 000 r /m in, 力矩0. 095 5 95. 4 N# m, 瞬间最大转矩0. 286 221N # m, 功率范围0. 03 15 kW, 可以采用最高17位( 32 768脉冲/转)的增量式或绝对式编码器。重量最小可达0. 3 kg, 最大可达86 kg。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R 系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU 和门阵列芯片控制, 力矩波动由24% 降低到7%, 并提高了可靠性。这样, 只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0. 05 6kW )较完整的体系, 满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。1.三菱伺服电动机(HC - KFS、HC - MFS、HC -SFS、HC - RFS和HC - UFS系列)这些电机所用的速度位置检测器分辨率: 131072脉冲/转, 绝对、增量方式共用, 17位解码器, 海拔1 000m下, 都用MR - J2S 系列的驱动器。伺服电机的功率范围0. 05 7. 0 kW, 额定转矩范围0. 16 33. 4 N# m, 最大转矩范围0. 48 100 N# m, 重量0. 4 38 kg, 最大电流可以达到84 A, 转速最高可达4 500 r /m in, 重量0. 7 11 kg。1. 3 德国百格拉伺服电机德国百格拉公司生产的SER 系列, 额定转矩016 10. 8 N# m, 最大转矩4. 0 48 N # m。功率0. 38 2. 2 kW, 重量2. 2 kg 13 kg, DSM 伺服电机也能产生很大的扭矩, 抗冲击扭矩是静扭的五倍。功率从0. 20 9. 7 kW, 静扭矩范围0. 34 50 N #m, 额定扭矩0. 32 42 N# m, 最大扭矩1. 7 175 N# m, 重量1. 0 44 kg。1. 4 德国博世( BOSCH )生产的伺服电机德国博世( BOSCH )公司生产铁氧体永磁的SD系列( 17个规格)和稀土永磁的SE 系列( 8个规格)交流伺服电动机。额定转矩为0. 5 36 N# m, 转速最高可以达到9 000 r /m in, 保护等级IP40、IP65 两种, 可带抱闸。此种伺服电机提供五种法兰尺寸, 55mm, 70mm, 100mm, 140mm 和205mm 通过集成在电机内的温度检测器提供热保护。单圈或多圈Sin-Cos编码器, 光轴或带键轴器。伺服电机装有高分辨率接口绝对值编码器S inC osH iperface单圈( 128点)或多圈( 128 点# 4096 圈) , 保证轴的角位置精度不小于 1. 3弧分。重量0. 8 33 kg, 功率0. 46 kW, 供电从100 480 V 不等。1. 5日本松下伺服电机近年日本松下公司推出的全数字型M INAS 系列交流伺服系统, 其中永磁交流伺服电动机有MAMA系列超小惯量型, 功率0. 1 0. 75 kW, 共4种规格; 小惯量有MSMD、MQMA、MSMA三个系列, 共18种规格, 功率从0. 05 5 kW; 中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA 三个系列, 功率0. 75 4. 5 kW, 共23种规格; 大惯量有MHMA、MHMD两个系列, 电动机的功率范围0. 2 5 kW, 有10种规格。额定转矩可以0. 16 42. 9 N # m, 最大转矩0. 48 107 N # m,额定转速1 000 6 000 r/m in。测速可用17 位(分辨率131 072) 7线制增量式编码器/绝对式, 也可以用5线增量式, 2 500 p / r(分辨率10 000)。重量0.32 39. 5 kg, 配套驱动器M INASA4有A、B、C、D、E、F型, 供电方式100 V和200 V 两种系列, 可实现位置、速度和转矩控制用RS232 以/RS485 通讯接口, 可使用7线制绝对式编码器, 也可使用5线制增量式编码器。1.6其它公司的伺服电机以生产机床数控装置而闻名的日本法奴克( Fanuc)公司, 在20世纪80年代中期也推出了S系列( 13个规格)和L系列( 5 个规格)的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数, 适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。日本其他厂商, 例如: 东芝精机( SM 系列)、大隈铁工所(BL系列)、三洋电气( BL系列)、立石电机( S系列)等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。德国力士乐公司( Rexroth) 的Indramat分部的MAC 系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。德国西门子( Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类, 共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU 系列相比,重量只有后者的1 /2, 配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列, 最多可供6个轴的电动机控制。美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部(Mo tion Control D iv-ision) , 生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服驱动器。后合并到AEG, 恢复了Gettys名称, 推出A700全数字化的交流伺服系统。美国A - B (ALLEN- BRADLEY )公司驱动分部生产1326 型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391 型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。I. D. ( Industr ia lD rives)是美国著名的科尔摩根( Ko llmo rgen)的工业驱动分部, 曾生产BR - 210、BR- 310、BR - 510三个系列共41 个规格的无刷伺服电动机和BDS3 型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的金线( Goldline)永磁交流伺服电动机, 包括B(小惯量)、M (中惯量)和EB (防爆型)三大类, 有10、20、40、60、80 五种机座号, 每大类有42个规格, 全部采用钕铁硼永磁材料, 力矩范围为0. 84 111. 2N # m, 功率范围为0. 54 15. 7 kW。配套的驱动器有BDS4 (模拟型)、BDS5(数字型、含位置控制)和Smart D rive(数字型)三个系列, 最大连续电流55 A。Goldline系列代表了当代永磁交流。2.国内的发展状况：我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。国产伺服主要由华中数控、兰州电机、和时利电机、广州数控、南京苏强电机、深圳雷赛电机等生产厂商。武汉华中数控自主设计开发了小功率HSV -16全数字式伺服驱动器, 配套华中理工大学新型电机厂研制的STZ系列交流永磁伺服电机, 其自行开发的伺服电机已经在展会上露面。技术目前在国内处于领先地位, 但产品主要与自行开发的数控系统配套销售, 产业化规模尚未形成。兰州电机厂是我国西北地区最大的生产电机的企业, 引进消化了德国西门子公司永磁交流伺服电机制造技术, 其电机产品已在机床行业形成一定规模, 并还出口国际市场, 但其产品主要是大功率电机, 如主轴伺服电机。和时利(原四通) 伺服电机共有31 个规格, 功率范围: 0. 03 4. 7 kW, 额定转矩0. 095 14. 32 N# m, 最大转矩0. 285 42. 97 N# m, 转速为1 0003 000 r /m in, 最大相电流可以达到57. 64A。重量0.58 15. 4 kg。该公司目前已成功完成了全系列规格伺服电机的设计生产研制, 计划不久针对整个自动化控制行业推出3 kW 以内GS系列的永磁交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器标准产品。该公司拥有电机和驱动的全部核心技术, 从总体上说处于领先水平, 尚需加大产业化力度 。广州数控自主开发生产的正弦波型永磁同步伺服电动机采用高性能的稀土永磁材料。电机具有高转矩惯量比、低速特性好、过载能力强等特点。深圳雷赛机电生产的伺服电机有IS2000、AS2000和DS2000三个系列的伺服电机, 功率范围都是0. 05 1 kW。其中IS2000是智能式交流伺服电机, 驱动器中内置智能控制器并外装小键盘和显示, 能精确定位, 调速, 并能做到30个指令的复杂运动。AS2000是模似式交流伺服电机, 电流环模式,成本较低。DS2000为数字式交流伺服电机, 脉冲方向指令输入, 与步进接口类似。南京苏强伺服电机有60SQA、130SQA ( 6 个规格)、110SQA ( 5 个规格)、180SQA ( 19 个规格)、MNA110、SNMA180和130NMA5 IE, 功率范围0. 2 4. 5 kW, 转矩范围0. 3 50 N # m, 转速范围1 500 6 000 r /m in。可能采用SN2000全数字伺服驱动器驱动, 控制方式有速度, 位置和转矩控制。采用DSP和IPM结合来实现控制。发展趋势：现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块（比如IR推出的伺服控制专用引擎）也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每22.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：1.高效率化尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，也包括驱动系统的高效率化，包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。2直接驱动直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱动，由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。直线电机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。3.高速、高精、高性能化采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。4.一体化和集成化电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。5.通用化6.智能化 现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能。7.网络化和模块化8.从故障诊断到