步进电机和交流伺服电机性能比较.doc

步进电机和交流伺服电机性能比较 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。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五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0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）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。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500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360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。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。 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，以松下MSMA 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。1.什么是步进电机?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。您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；同时您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。2.步进电机分哪几种?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7.5度 或15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1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80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1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。4.什么是DETENT TORQUE?DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。5.步进电机精度为多少？是否累积?一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。6.步进电机的外表温度允许达到多少?步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?A.电压的确定混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。B.电流的确定供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可.什么是视在功率、有功功率和无功功率?视在功率包括有功功率和无功功率。在交流电路中，只有电阻要消耗能量，电阻上消耗掉电源的这部分功率称为有功功率。在交流电路中，无论是感抗或容抗，都不消耗电能，只是在电抗器或电容器和电源之间存在着能量互换；无功功率就是用来表示这种能量互换的大小。2.什么是功率因数?它与哪些因素有关?功率因数就是有功功率和视在功率的比值。通常以cos来表示。为功率因数角，实际上也就是电路中电压和电流的相位差。功率因数的大小，取决于负载的电阻和阻抗的大小。3.如何计算单相交流电路的电功率?视在功率 S=UI（VA）有功功率 P=UIcos（W）无功功率 Q=UIsin（var）4.简述汉字诊断信息显示器CDID的构成及工作过程（1）CDID的过程CDID是一台计算机的终端设备。它的功能是将上位计算机传来的信息显示到显示器上，并将人工通过键盘输入的信息及命令传给上位计算机进行处理。其内部划分成中央处理器CPU（包括存储器）；RS-232C接口；汉字库；键盘；显示器；电源6个功能块。（2）CDID的工作过程CPU通过RS-232C口接收上位计算机传来的数据，并将此数据存于接收缓冲区内（存储器），CPV从接收缓冲区内取出数据，通过查询汉字库及ASCII码库（位于存储器内），将数据转化成点阵的形式，送到显示器，显示出此数据信息。CPU查询键盘，将人工通过键盘输入的数据存于发送缓冲区内（位于存储器内），CPU通过RS-232C接口将发送缓冲区内的数据送往上位计算机。CPU查询键盘，将人工修改显示器特性的命令数据送到显示器空气器，用以修改液晶背景光的亮度计视角的大小。液晶背景光的亮度计视角的大小具有记忆功能，因此，不需要在每次CDID上电时进行调整。5.直流电动机的分电势与哪些因素有关？如何计算？直流电动机的感应电势（E）因其方向与电流的方向相反，故称为分反电势。分电势的大小取决于转子转速（n），电极每极磁通（）的大小，以及电机本身的结构形式式中 n转子转速；6.直流发电机的电势于与哪些因素有关？其公式是什么？直流发电机的电势与电动机反电势公式相同，即：直流发电机的电势，取决于它的转子转速、电机每极磁通的大小以及电机本身的结构常数。7.简述直流电动机的转速公式直流电动机的转速公式：式中 n电机转速（r/min）；U电机端电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路电阻（）；8.简述直流电动机的转矩公式直流电机的转矩公式：式中 主极每极磁通量（Wb）； I电枢电流（A）； M转矩（N）；9.如何消除直流电机的电枢反应?消除电枢反应影响的方法有：（1）在主极间加装换向极。（2）增加主极靴尖处的磁阻，以达到减小极靴尖处的磁通密度。（3）在主极上增设补偿绕组。10.什么是直流电动机的机械特性?所谓直流电动机的机械特性，即在外加端电压不变和励磁电流不变的条件下，电动机力矩M和转速n之间的关系，即：n=f（M）11.直流电动机的调速方法有哪几种?直流电机的转速公式为：从式中可以看出：改变加在电动机上的端电压的大小；改变电动机每极磁通的强弱；改变电动机电枢回路的电阻R的大小均可使电动机转速咒发生变化，从而达到调速的目的。一、直流电机 1、直流电动机 a、永磁式直流电机 b、电磁式直流电机 c、直流力矩电机 2、永磁式直线直流电机 a、动圈式直线电机 b、摆动式直线电机 3、无刷直流电机 a、有槽电枢无刷直流电机 b、无槽电枢无刷直流电机 c、绕线盘式电枢无刷直流电机 d、片状电枢无刷直流电机 e、无刷直流力矩电机 4、交直流两用电机 5、电机扩大机 6、变流机 二、交流电机 1、异步电动机 a、三相异步电动机 b、单相异步电动机 2、交流伺服电动机 a、鼠笼转子伺服电动机 b、非磁性空心杯转子伺服电动机 3、交流力矩电动机 4、同步电动机 a、永磁式同步电动机 b、磁滞式同步电动机 c、磁阻式同步电动机 d、电磁减速式同步电动机 5、交流直线电机 a、同步式直线电动机 b、异步式直线电动机 6、交流发电机 a、同步发电机 b、异步发电机 三、步进电机 1、磁阻式步进电机 a、分步式步进电机 b、多段式步进电机 2、永磁式步进电机 a、隐极式步进电机 b、单相永磁步进电机 3、混合式步进电机 4、直线与平面步进电机 a、磁阻式直线与平面步进电机 b、混合式直线与平面步进电机 5、螺旋式步进电机 四、传感电机 1、自整角机 2、旋转变压器 3、测速发电机 4、多极自整角与旋转变压器电机运转时有很多种噪声同时存在，不同的噪声是不同的电机零部件产生的，这些噪声有：空气动力噪声电磁噪声机械噪声和轴承噪声电刷噪声。电机类别、结构型式、运转速度不同，其噪声的主要声源也有所不同。高速运转的电机，主要噪声源是空气动力噪声。中速和低速运转的电机，电磁噪声和轴承噪声较明显。空气动力噪声电机的空气动力噪声有涡流空气动力噪声和笛鸣噪声两种主要成分。涡流噪声主要由转子和风扇引起冷却空气涡流在旋转表面交替出现涡流引起的。其频谱范围较宽。笛鸣噪声是通过压缩空气，或空气在固定障碍物上通过而产生的，即“口哨效应”电机的笛鸣噪声主要是径向通风沟引起的，由于冷却空气的涡流效应饿径向风道内气流“口哨效应”没有直接联系，两种噪声可以分别处理，空气动力噪声最大的是开启式高速电机。空气动力噪声是不可避免的，如果降低转子周围速度减少电机转子表面积，增加转子表面的光滑程度，可以减少空气动力的噪声。笛鸣噪声主要原因是风扇等距离叶片与气流摩擦，或气流转子部件均匀分割，如异步电动机的定转子相对的径向通风沟实际上构成了“警报器”笛鸣，噪声是随转子部件和固定部件之间的间隙增大而减少，采用不等距风叶，增加定转子之间的间隙是降低笛鸣噪声的有效方法。电磁噪声电磁噪声是磁拉力在时间和空间上变化，并由电机各部分之间相互作用而引起的。电机在运转时，在定子和转子之间气隙有一个气隙磁场，它是一个旋转的力波，产生的电磁力是交变的，气隙磁场中，除主磁通外，还有很多的偕波分量，它们的频率往往是与磁槽数成倍数关系，因此电磁噪声中不但有二倍电源频率的主磁通引起噪声外，主要是偕波磁通产生的频率较高的噪声。异步电机运转时，气隙磁场是一个旋转力波，它同时对钉子和转子产生磁拉力，使定子和转子发生变形和周期性振动，形成声源，辐射到周围空间形成噪声。异步电动机电磁噪声产生的原因1、气隙磁场是一个旋转的力波，它的径向力波使定子饿转子发生径向变形和周期振动，造成电磁噪声。2、气隙磁场中除电源基波分量外，还有高次偕波分量，它们径向力波也分别作用定、转子上，使它们发生径向变形和周期振动，产生电磁噪声。3、定子铁心不同阶次谐波的变形有不同的固有频率，当地磁场的径向力波与铁心的某个固有频率接近时，就会引起共振，即使径向力波幅值并不大，也会使铁心变形，周期振动和产生较大的噪声。、直流电动机噪声产生的原因直流电机的电磁噪声也是由气隙磁场（主要是谐波磁场）引起磁极与机座变形和周期性振动而产生的，其电磁噪声频率主要是电桓齿频和电桓旋转频率。、同步电动机电磁噪声产生的原因同步电动机电磁噪声是气隙磁场中谐波分量引起的，其频率为、产生电磁噪声的其它原因1、铁心饱和时，会使磁场正弦分布的顶部变的平坦增加了三次谐波的分量，使电磁噪声增大。2、开口槽的影响，定、转子槽部都是开口的，气隙磁阻在旋转时是在变化和波动，气隙磁场出现很多“槽开口波”，与气隙和槽开口大小有关，气隙越小，槽口越宽，它们的幅值越大。3、当铁芯固有频率较低时，在起动过程中产生较大的电磁噪声，在正常运转时，噪声反而降低铁芯压装不紧时，铁芯冲片和通风槽板的振动将使电磁噪声增加。4、磁通振荡产生噪声，在直流电动机中，由于电桓齿距与补偿绕组节距选择配合不当，以及主极极弧宽度与电桓齿距配合不当，都将产生电磁噪声，主要是磁通在电桓和极靴表面横向振荡，以及极靴边侧磁通在电桓表面横向振动的结果，与电动机负载及转速有关，这种噪声有时表现很重的嗡嗡声，低速电动机因定子开口槽而产生类似锤击的声音。5、气隙动态偏心，动态偏心是由转子椭圆，转轴弯曲，铁心与轴承不同心极原因造成的，造成一边气隙大，另一边气隙小，磁阻沿圆周产生周期变化，使基波磁势增加了一个谐波分量，谐波次数，随着转子转动，偏心位置在不段改变，引起了旋转频率的单边磁场拉力而产生噪声。6、其他原因引起的气隙磁场中高次谐波也会产生噪声，如绕组分布规律造成磁场非正弦分布，晶闸管电源中的脉动分量，电网中的谐波分量等。7、电动机的故障状态引起电磁噪声。如同步电动机磁极匝见短路，异步电机专著茏条断裂，高阻直流电动机电桓和主极匝间短路，交流电动机铁心压袋松，装配气隙不均等。机械噪声饿轴承噪声机械噪声旋转电机的噪声主要是机械噪声，大型高速电机最易产生。转子动平衡不好是产生机械噪声的常见原因。频率与旋转频率相同，当装配和安装不良时，定、转字部件固有频率和转速频率相近时，产生共振，引起噪声。构件振动噪声也是常发生的机械噪声，当电机装有端罩式风扇罩时，风扇罩随电动机振动而产生噪声。出线端子盒，盖，维护窗口盖板，搭攀扣等都会产生构声振动和噪声。转子的振动和轴承的振动通过端盖传递到底板和基础上，当端盖的刚性较差时，端盖受激而产生振动和噪声。轴承噪声电动机采用的轴承有两种型式：滚动轴承和滑动轴承。滑动轴承噪声较低，滚动轴承噪声较大，高速比低速要大。滚动轴承在转动时，滚动体相对于内外圈和保持架相对运动，工作表面的摩擦和撞击就产生了轴承噪声，轴承噪声分为轴承自身噪声和轴承装配后构成的结构振动噪声。轴承自身的噪声表现为碾压声，伤损声，磨削声，滚落声，保持架声，灰尘声等。装配条件下轴承噪承噪声为嗡嗡声，轴承噪声产生的原因是制造公差，精度，装配间隙，及运输安装和运行过程中，造成工作表面损伤和电腐蚀产生损伤，使轴承运行发生不规则的撞击而产生的噪声。轴承噪声