伺服、變頻和步進的差別


一、伺服技術的發展與應用

    伺服一詞源於希臘語”奴隸”的意思。人們想把”伺服機構”當個得心應手的馴服工具,服從控制信號的要求而動作。在信號來到之前,轉子靜止不動;信號來到之后,轉子立即轉動;當信號消失,轉子能即時自行停轉。由於它的”伺服”性能,因此而得名。目前伺服已經成為高精度、高相應速度、高性能的代名詞。

二、伺服的發展過程

    伺服分為直流伺服和交流伺服,50年代,無刷電機和直流電機實現了產品化,並在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用。從70年代后期到80年代初期,隨着微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高,交流伺服技術—交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業領域實現自動化的基礎技術之一,並將逐漸取代直流伺服系統。

    交流伺服系統按其采用的驅動電動機的類型來分,主要有兩大類:永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統和感應式異步(IM型)電動機交流伺服系統。其中,永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨於完全成熟,具備了十分優良的低速性能,適應了高性能伺服驅動的要求。其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛,目前已成為交流伺服系統的主流。

三、交直流伺服區別

    交流伺服是正弦波控制,轉矩脈動小;直流伺服是梯形波控制,轉矩脈動大。但直流伺服比較簡單,便宜。交流伺服電機分為同步和異步電機,目前運動控制中一般都用同步電機。

四、交流永磁同步與異步伺服性能比較

伺服性能

交流永磁同步伺服

交流異步伺服

結構

轉子為永磁體

三相繞組線圈/鼠籠型轉子

超速

超速能力差

超速能力強

成本

較高

較低

慣量

慣量較小

慣量教大

功率

大、中、小功率均有

多為大功率

控制

不可開環運行

可開環運行

性能

較好

略低於同步伺服

 

1、從同步與異步的角度分析,同步伺服與異步伺服的區別在於轉差率。

2、同步伺服的轉子為永磁材料,而異步伺服的轉子為澆注的鼠籠轉子。

3、同步伺服的超速能力不如異步伺服。

4、由於其轉子材料不同,所以其慣量的大小有所差別。

5、伺服控制必須為閉環控制。

五、伺服與步進的區別

    步進電機是一種離散運動的裝置,它和現代數字控制技術有着本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中,步進電機的應用十分廣泛。隨着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數采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖信號和方向信號),但在使用性能和應用場合上存在着較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。

1、控制精度不同

    兩相混合式步進電機步距角一般為3.6度、1.8度,五相混合式步進電機步距角一般為0.72度、0.36度。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於慢走絲機床的步進電機,其步距角為0.09度;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度、0.9度、0.72度、0.36度、0.18度、0.09度、0.072度、0.036度,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。以松下全數字式交流伺服電機為例,對於帶標准2500線編碼器的電機而言,由於驅動器內部采用了四倍頻技術,其脈沖當量為360/10000=0.036度。對於帶17位編碼器的電機而言,驅動器每接收2的17次方=131072個脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360/131072,是步距角為1.8度的步進電機的脈沖當量的1/655.

2、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象對於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,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。

3、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200RPM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。

4、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,而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩,便出現了力矩浪費的現象。

5、運行性能不同

    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失或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。

    交流伺服系統為閉環控制,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,控制性能更為可靠。

6、速度響應性能不同

    步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鍾幾百轉)需要200~400毫秒。

    交流伺服系統的加速性能較好,以我們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性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。

六、伺服驅動器與變頻器的差異

1、控制精度不同

    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。以松下全數字式交流伺服電機為例,對於帶標准2500線編碼器的電機而言,由於驅動器內部采用了四倍頻技術,其脈沖當量為360/10000=0.036度。F2OOO變頻器的穩速精度在0.5%.

2、矩頻特性不同

    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。在0.2r/min轉速下仍可拖動額定負載平穩運轉,調速比可達到1:10000,這是變頻器所達不到的。

3、具有過載能力不同

    伺服驅動器一般具有3倍過載能力,可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。變頻器一般允許1.5倍過載。

4、加減速性能不同

    在空載情況下伺服電機從靜止狀態加速到2000r/min,用時不會超20ms。電機的加速時間跟電機軸的慣量以及負載有關系,通常慣量和負載越大加速時間越長。

5、動態響應品質優良

    伺服電機在位置控制模式下,突加負載或撤載,幾乎沒有超調現象,電機轉速不會產生波動,保證了機床加工的精度。

6、驅動對象不同

    變頻器是用來控制交流異步電機,伺服驅動器用來控制交流永磁同步電機。伺服系統的性能不僅取決於驅動器的性能,而且跟伺服電機的性能有直接的關系。伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高於變頻器驅動的交流電機,電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。

7、應用場合不同

    變頻控制與伺服控制是兩個范疇的控制。前者屬於傳動控制領域,或者屬於運動控制領域。一個滿足一般工業應用要求,對性能指標要求不高的應用場合,追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品。另一個就是代表着工業自動化發展水平的產品,追求高性能、高響應、高精度。


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