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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,如北京和利时电机技术有限公司(原四通电机)生产的一种用于慢走丝机床的步进电机,其步距角为0.09°;三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°等等,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。以某进口品牌电机为例,有标准2500线编码器的电机,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°;而对于带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300~600RPM。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。以森创交流伺服系统为例,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200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以某品牌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。
在减速机家族中,行星减速机以其体积小(与电机直径基本同),传动效率高(85~90%),减速范围广(1:3~100),精度高(回差小)等诸多优点,而被广泛应用于伺服、步进、直流无刷等控制电机(后称驱动电机)的传动系统中。在保证精密传动的前提下,可以降低转速﹑增大扭矩和降低负载与驱动电机的转动惯量比。但在实际使用中经常会出现因安装不当导致的故障,减速机和驱动电机断轴就是主要故障类型之一。对断轴机理的分析有利于广大客户了解如何正确安装行星减速机,更好地发挥行星减速机的作用。
一、 不同心出现的断轴问题
有的用户在设备运行一段时间后,驱动电机的输出轴断了。为什么驱动电机的输出轴会扭断?当我们仔细观查驱动电机折断的输出轴横断面,会发现横断面的外圈较明亮,而越向轴心处断面颜色越暗,最后到轴心处是折断的痕迹(点状痕)。这一现象大多是驱动电机与减速机装配时两者的不同心所致。
当驱动电机和减速机间装配同心度保证得较好时,驱动电机输出轴所承受的仅仅是转动力(扭矩),运转时也会很平顺,没有脉动感。而在不同心时,驱动电机输出轴还要承受来自于减速机输入端的径向力(弯矩)。这个径向力的作用将会使驱动电机输出轴被迫弯曲,而且弯曲的方向会随着输出轴转动不断变化。如果同心度的误差较大时,该径向力使电机输出轴局部温度升高,其金属结构不断被破坏,最终将导致驱动电机输出轴因局部疲劳而折断。两者同心度的误差越大时,驱动电机输出轴折断的时间越短。在驱动电机输出轴折断的同时,减速机输入端同样也会承受来自于驱动电机输出轴方面的径向力,如果这个径向力超出减速机输入端所能承受的最大径向负荷的话,其结果也将导致减速机输入端产生变形甚至断裂或输入端支撑轴承损坏。因此,在装配时保证同心度至关重要!
从装配工艺上分析,如果驱动电机轴和减速机输入端同心,那么驱动电机轴面和减速机输入端孔面间就会很吻合,它们的接触面紧紧相贴,没有径向力和变形空间。而装配时如果不同心,那么接触面之间就会不吻合或有间隙,就有径向力并给变形提供了空间。
同样,减速机的输出轴也有折断或弯曲现象发生,其原因与驱动电机的断轴原因相同。但减速机的出力是驱动电机出力和减速比之积,相对于电机来讲出力更大,故减速机输出轴更易被折断。因此,用户在使用减速机时,对其输出端装配时同心度的保证更应十分注意!
二、减速机出力太小出现的断轴问题
如果不是驱动电机轴断,而是减速机的输出轴折断,除了减速机输出端装配同心度不好的原因以外,还会有以下几点可能的原因。
首先,错误的选型致使所配减速机出力不够。有些用户在选型时,误认为只要所选减速机的额定输出扭矩满足工作要求就可以了,其实不然。一是所配驱动电机额定输出扭矩乘上速比,得到的数值原则上要小于减速机产品样本提供的相应额定输出扭矩;二是同时还要考虑其驱动电机的过载能力及实际应用中所需最大工作扭矩。理论上,用户所需最大工作扭矩一定要小于减速机额定输出扭矩的 2 倍。尤其是有些应用场合必须严格遵守这一准则,这不仅是对减速机内部齿轮和轴系的保护,更主要的是避免减速机的输出轴被扭断。如果没有考虑到这些因素,一旦设备安装有问题,减速机的输出轴被负载卡住,这时驱动电机的过载能力依然会使其不断加大出力,直到减速机的输出轴所承受的力超过其最大输出扭矩,轴就会扭断。如果减速机额定输出扭矩有一定的裕量,那么扭断输出轴的槽糕情况就会避免。
其次,在加速和减速的过程中,减速机输出轴所承受瞬间的冲击扭矩如果超过了其额定输出扭矩的 2 倍,并且这种加速和减速又过于频繁,那么最终也会使减速机断轴。如果有这种情况出现,应仔细计算考虑加大扭矩裕量。
三、减速机的正确安装
正确的安装、使用和维护减速机,是保证机械设备正常运行的重要环节。因此,在您安装行星减速机时,请务必严格按照下面的安装顺序,认真地装配。
第一步:安装前应确认电机和减速机是否完好无损,并且严格检查驱动电机与减速机相连接的各部位尺寸是否匹配。这里指的是驱动电机法兰的定位凸台和轴径与减速机法兰的定位凹槽和孔径间的尺寸及配合公差;擦拭处理配合表面的污物与毛刺。
第二步:旋下减速机法兰侧面的工艺孔上的螺堵,旋动减速机的输入端,使抱紧内六角螺钉帽与工艺孔对齐,插入内六角工具旋松抱紧内六角螺钉。
第三步:手持驱动电机,使其轴上之键槽与减速机输入端孔抱紧螺钉垂直,将驱动电机轴插入减速机输入端孔。插入时必须保证两者同心度一致和二侧法兰平行。如同心度不一致或二侧法兰不平行必须查明原因。另外,在安装时,严禁用锤击,即可以防止锤击的轴向力或径向力过大损坏两者轴承,又可以通过装配手感来判断两者配合是否合适。判断两者配合同心度和法兰平行的方法为:两者相互插入后,两者法兰基本贴紧,缝隙一致。
第四步:为保证两者法兰连接受力均匀,先将驱动电机紧固螺钉任意旋上,但不要旋紧;然后按对角位置逐渐旋紧四个紧固螺钉;最后旋紧减速机输入端孔抱紧螺钉。一定要先旋紧驱动电机紧固螺钉后再旋紧减速机输入端孔抱紧螺钉。
注意:减速机与机械设备间的正确安装类同于减速机与驱动电机间的正确安装。关键是要必须保证减速机输出轴与所驱动部分输入轴同心度的一致。
四、结论
随着控制电机应用的不断深入发展,行星减速机在运动控制传动领域中的应用也会越来越多。希望您在使用之前确保正确的安装行星减速机,为您的设备带来运行的可靠与安全上的保障!
有时候我们容易对电磁制动,再生制动,动态制动的作用混淆,选择了错误的配件。以下对这几个概念加以澄清。
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.
2019炸金花下载大全 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.
2019炸金花下载大全 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.
选择配件的注意事项
(1)有些系统如传送装置,升降装置等要求伺服电机能尽快停车.而在故障,急停,电源断电时伺服器没有再生制动无法对电机减速.同时系统的机械惯量又较大,这时对动态制动器的选择要依据负载的轻重,电机的工作速度等.
(2)有些系统要维持机械装置的静止位置需电机提供较大的输出转矩且停止的时间较长,如果使用伺服的自锁功能往往会造成电机过热或放大器过载.这种情况就要选择带电磁制动的电机.
(3)有的伺服器有内置的再生制动单元,但当再生制动较频繁时可能引起直流母线电压过高,这时需另配再生制动电阻。再生制动电阻是否需要另配,配多大 的再生制动电阻可参照相应样本的使用说明。需要注意的是一般样本列表上的制动次数是电机在空载时的数据。实际选型中要先根据系统的负载惯量和样本上的电机惯量,算出惯量比。再以样本列表上的制动次数除以(惯量比+1)。这样得到的数据才是允许的制动次数。
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注:文章选自《Design News技术论坛》,略有增删。