行星减速机配合伺服电机的应用场合选择与好处

行星减速机配合伺服电机的应用场合选择与好处现代工业设备应用中在高精度应用场合随着伺服马达技术的发展，从高扭矩密度乃至于高功率密度，使转速的提升高过3000rpm，由于转速的提升，使得伺服马达的功率密度大幅提升。这意谓着伺服马达是否需要搭配减速机，其决定因素主要是从应用的需求上及成本的考虑来审视。然而，到底在什么样的应用场合需求必须搭配伺服行星齿轮减速机？1、重负何高精度：必须对负载做移动并要求精密定位时便有此需要。一般像是航空、卫星、医疗、军事科技、晶圆设备、机器人等自动化设备。他们的共同特征在于将负载移动所需的扭矩往往远超过伺服马达本身的扭矩容量。而透过减速机来做伺服马达输出扭矩的提升，便可有效解决这个问题。2、提升扭矩：输出扭矩提升的方式，可能采用直接增大伺服马达的输出扭矩方式，但这种方式不但必须使用昂贵大功率的伺服电机，马达还要有更强壮的结构，扭矩的增大正比于控制电流的增大，此时采用比较大的驱动器，功率电子组件和相关机电设备规格的增大，又会使控制系统的成本大幅增加。3、增加使用效率：理论上，提升伺服马达的功率也是输出扭矩提升的方式，可藉由增加伺服马达两倍的速度来使得伺服系统的功率密度提升两倍，而且不需要增加驱动器等控制系统组件的规格，也就是不需要增加额外的成本。而这就需透过行星减速机的搭配来达到提升扭矩的目的了。所以说，高功率伺服马达的发展是必须搭配应用减速机，而非将其省略不用。4、提高使用性能：据了解，负载惯量的不当匹配，是伺服控制不稳定的最大原因之一。对于大的负载惯量，可以利用减速比的平方反比来调配最佳的等效负载惯量，以获得最佳的控制响应。所以从这个角度来看，行星减速机为伺服应用的控制响应的最佳匹配。5、增加设备使用寿命：行星减速机还可有效解决马达低速控制特性的衰减。由于伺服马达的控制性会由于速度的降低，导致产生某程度上的衰减，尤其在对于低转速下的讯号撷取和电流控制的稳定性上，特别容易看出。因此，采用减速机能使马达具有较高转速。6、降低设备成本：从成本观点，假设0.4KW的AC伺服马达搭配驱动器，需耗费一单位设备成本，以5KW的AC伺服马达搭配驱动器必须耗费15单位成本，但是若采用0.4KW伺服马达与驱动器，搭配一组减速机就能够达到前述耗费15个单位成本才能完成的事，在操作成本上节省50%以上。因此使用者依其加工需求不同，决定选用的行星齿轮减速机产品。一般而言，在机台运转上有低速、高扭矩、高功率密度场合需求，绝大部分采用行星齿轮减速机。行星式减速机原理与技术至于行星式齿轮减速机，基本结构由输入太阳轮、行星轮、输出行星臂架，以及固定的内齿环所构成。行星式齿轮减速机的工作原理，动力是由马达端输入至太阳轮，而太阳轮将驱动保持于行星臂架上的行星轮，而行星轮除了绕本身轴线自转外，并驱动行星臂架绕传动系统的中心，将他转动。行星式齿轮减速机拥有较多优点，像是结构紧凑，可节省50％的体积；同轴的输入输出使设计更具弹性；重量轻、高效率、免保养（无须更换润滑油）、寿命长（无需更换零组件）且经由模块化设计，使应用更为容易。伺服用行星式齿轮减速机还具有高输入速度、高扭矩密度、高扭转刚性、低背隙、高效率、温升低、低噪音、安装容易等特性。在实用上，所有的高性能伺服用齿轮减速机，均选用行星式的机构并非偶然。行星式的齿轮减速机构利用多齿接触来分散它的负荷，所以在给定的设计空间下具有最大的扭矩密度和刚性，而与一般的减速机构相比较，行星式齿轮减速机在高速时的结构动平衡特性较为优异，且易于润滑。一般而言，只要利用润滑油脂即可达到充分润滑的效果，基于上述之负荷均布、结构动平衡优异以及易于润滑的特性，使得行星式齿轮减速机被一般使用者认定为最适合使用的伺服应用方案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。随着全数字式系统的出现，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步进电机和电机性能比较步进电机和电机性能比较c。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（BERGERLAHR）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。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。电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。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300～600RPM。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。电机具有较强的过载能力。以松下系统为例，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。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200～400毫秒。系统的加速性能较好，以松下MSMA400W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，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。写这个帖子的人，是卖电机的吧？内容基本正确，但是，不全面。楼主用于对比的几个部分，有些是可以从另外一个角度来看的。1、控制精度不同显然，楼主不知道步进电机驱动器有"细分"的概念。两相步进电机的步进角是1.8度没错，但是，现在64细分的驱动器也很常见了。注意，这个时候，电机是200*64=12800个脉冲转一圈。而市面上常见的，编码器不过是2048或者2500线的。当然，有17位编码器的电机，不过，步进驱动器也有256细分的。从分辨率而言，还是要高一些，但是远没有楼主所写得那么夸张。而且，既然是说控制精度，那么，用过伺服的人都应该知道，伺服的动态重现性是分辨率的多少倍。就常规设计而言，选型时，要把重现性指标乘以5作为伺服反馈的分辨率。这样，伺服的控制精度真的比伺服好吗？2、低频特性不同当步进电机细分数达到32以上时，基本就没有低频振动的问题了。而伺服想保持一个准确、稳定的低速，用过的人应该知道参数有多难调（只要速度、不要位置的话，还好做一点）3、频矩特性不同对于转矩，需要补充一点，伺服本身是没有保持力矩的，而步进电机有保持力矩。区别在于，伺服电机的所谓静止，实际上是一个动平衡的过程，电机不会真的停在指定位置上（所以的重现性要定到反馈分辨率的3-5倍，而步进电机重现性可以比分辨率更高）。4、过载能力不同这个没有什么可说的，不过对于力矩浪费的说法，还是有点意见。很多步进驱动器提供了半流功能，在不需要全力矩输出的时候，可以降低电流，减小力矩。5、运行性能不同丢步确实是步进电机的致命缺陷，但是，伺服就可以不考虑加减速的曲线吗？你真给一个阶跃信号试试，电机会有多大的抖动。不过抖归抖，最终还是会停在正确的位置上，这确实比步进强。如果是定位控制，这个抖动无所谓了，如果是过程控制，谁敢这么用？6、速度响应性能不同因为可以有瞬间大扭矩输出，所以加速性能可能比步进强，不过松下加到3000RPM用几毫秒，先试过再来说话好不好？而且说到响应，那就不能不说的本质缺陷——滞后。一般电机，速度环响应2毫秒，位置环响应则很少看到数据，一般认为是8毫秒。说到快速起停，伺服总是手其响应频率限制，而步进电机基本不用考虑响应时间的问题。用步进电机可以很简单的做到一秒起停100次，每次移动20微米，用伺服大家可以试试看。步进与伺服，无所谓优劣，各有适用场合而已，一般来说，大负载，高速度的应用，不要用步进电机，但低负载、低速度的场合，高细分的步进性能比要好。-作者：motioncontrol2005年04月16日,星期六19:44回复（1）|引用（0）加入博采变频器基本参数的调试(转载)关键词：变频器参数调试变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进行设定和调试。因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方便，本文以富士变频器基本参数名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都有的，完全可以做到触类旁通。关键词：变频器参数调试变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进行设定和调试。因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方便，本文以富士变频器基本参数名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都有的，完全可以做到触类旁通。一加减速时间加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。二转矩提升又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/V增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。三电子热过载保护本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内CPU根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于"一拖一"场合，而在"一拖多"时，则应在各台电动机上加装热继电器。电子热保护设定值(%)=[电动机额定电流(A)/变频器额定输出电流(A)]×100%。四频率限制即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。五偏置频率有的又叫偏差频率或频率偏差设定。其用途是当频率由外部模拟信号(电压或电流)进行设定时，可用此功能调整频率设定信号最低时输出频率的高低，如图1。有的变频器当频率设定信号为0%时，偏差值可作用在0～fmax范围内，有的变频器(如明电舍、三垦)还可对偏置极性进行设定。如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为0Hz，而为xHz，则此时将偏置频率设定为负的xHz即可使变频器输出频率为0Hz。六频率设定信号增益此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号电压与变频器内电压(10v)的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，设定时，当模拟输入信号为最大时(如10v、5v或20mA)，求出可输出f/V图形的频率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为0～5v时，若变频器输出频率为0～50Hz，则将增益信号设定为200%即可。七转矩限制可分为驱动转矩限制和制动转矩限制两种。它是根据变频器输出电压和电流值，经CPU进行转矩计算，其可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显著改善。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。假设加减速时间小于负载惯量时间时，也能保证电动机按照转矩设定值自动加速和减速。驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机转差，而将电动机转矩限制在最大设定值内，当负载转矩突然增大时，甚至在加速时间设定过短时，也不会引起变频器跳闸。在加速时间设定过短时，电动机转矩也不会超过最大设定值。驱动转矩大对起动有利，以设置为80～100%较妥。制动转矩设定数值越小，其制动力越大，适合急加减速的场合，如制动转矩设定数值设置过大会出现过压报警现象。如制动转矩设定为0%，可使加到主电容器的再生总量接近于0，从而使电动机在减速时，不使用制动电阻也能减速至停转而不会跳闸。但在有的负载上，如制动转矩设定为0%时，减速时会出现短暂空转现象，造成变频器反复起动，电流大幅度波动，严重时会使变频器跳闸，应引起注意。八加减速模式选择又叫加减速曲线选择。一般变频器有线性、非线性和S三种曲线，通常大多选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S曲线适用于恒转矩负载，其加减速变化较为缓慢。设定时可根据负载转矩特性，选择相应曲线，但也有例外，笔者在调试一台锅炉引风机的变频器时，先将加减速曲线选择非线性曲线，一起动运转变频器就跳闸，调整改变许多参数无效果，后改为S曲线后就正常了。究其原因是：起动前引风机由于烟道烟气流动而自行转动，且反转而成为负向负载，这样选取了S曲线，使刚起动时的频率上升速度较慢，从而避免了变频器跳闸的发生，当然这是针对没有起动直流制动功能的变频器所采用的方法。九转矩矢量控制矢量控制是基于理论上认为：异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生机理。矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行控制，同时将两者合成后的定子电流输出给电动机。因此，从原理上可得到与直流电动机相同的控制性能。采用转矩矢量控制功能，电动机在各种运行条件下都能输出最大转矩，尤其是电动机在低速运行区域。现在的变频器几乎都采用无反馈矢量控制，由于变频器能根据负载电流大小和相位进行转差补偿，使电动机具有很硬的力学特性，对于多数场合已能满足要求，不需在变频器的外部设置速度反馈电路。这一功能的设定，可根据实际情况在有效和无效中选择一项即可。与之有关的功能是转差补偿控制，其作用是为补偿由负载波动而引起的速度偏差，可加上对应于负载电流的转差频率。这一功能主要用于定位控制。十节能控制风机、水泵都属于减转矩负载，即随着转速的下降，负载转矩与转速的平方成比例减小，而具有节能控制功能的变频器设计有专用V/f模式，这种模式可改善电动机和变频器的效率，其可根据负载电流自动降低变频器输出电压，从而达到节能目的，可根据具体情况设置为有效或无效。要说明的是，九、十这两个参数是很先进的，但有一些用户在设备改造中，根本无法启用这两个参数，即启用后变频器跳闸频繁，停用后一切正常。究其原因有：(1)原用电动机参数与变频器要求配用的电动机参数相差太大。(2)对设定参数功能了解不够，如节能控制功能只能用于V/f控制方式中，不能用于矢量控制方式中。(3)启用了矢量控制方式，但没有进行电动机参数的手动设定和自动读取工作，或读取方法不当。关于伺服的应用。有很多方面，连一个小小的电磁调压阀，也可以算上一个伺服系统。其他伺服应用如火炮或雷达，用作随动，要求实时性好，动态响应快，超调小，精度在其次。如果是机床，则经常用作恒速，位置高精度，实时性要求不高。首先得确定你应用在什么场合。如果用在机床上，则控制部分硬件可以设计得相对简单一些，成本也相应低些。如果用于军工，则内部固件设计时控制算法应该更灵活，比如提供位置环滤波、速度环滤波、非线性、最优化或智能化算法。当然不需要在一个硬件部分上实现。可以面向对象做成几种类型的产品。交流伺服在加工中心、自动车床、电动注塑机、机械手、印刷机、包装机、弹簧机、三坐标测量仪、电火花加工机等等方面的设备有广阔的应用。关于步进电机和交流伺服电机的性能有较大差别。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。一、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。如：1、制精度不同2、低频特性不同3、矩频特性不同4、过载能力不同5、运行性能不同6、速度响应性能不同。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。有关伺服零点开关的问题。找零的方法有很多种，可根据所要求的精度及实际要求来选择。可以伺服电机自身完成（有些品牌伺服电机有完整的回原点功能），也可通过上位机配合伺服完成，但回原点的原理基本上常见的有以下几种。6.1伺服电机寻找原点时，当碰到原点开关时，马上减速停止，以此点为原点。6.2回原点时直接寻找编码器的Z相信号，当有Z相信号时，马上减速停止。这种回原方法一般只应用在旋转轴，且回原速度不高，精度也不高。同步带的安装对伺服定位也有很大影响吗。这个情况，得知道伺服是不是调得很软？常见伺服是用脉冲控制的，那么，位置环的比例增益，速度环比例增益、积分时间常数分别是多少？位置环比例增益：21rad/s速度环比例增益：105rad/s速度环积分时间常数：84ms关于伺服的三种控制方式,一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的?速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。二、换一种说法是：1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等。3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。三、怎样判断伺服电机与伺服驱动器的故障区别？看驱动器上