本文主要針對設(shè)備制造商相關(guān)人員，如項目經(jīng)理、機械設(shè)計、電氣、軟件運動控制工程師，講述步進電機、伺服電機（本文都指永磁同步交流伺服電機）的作用，選用方法及周邊配套設(shè)施的選配和主要應(yīng)用經(jīng)驗。
1 步進和伺服電機的各自特點、優(yōu)缺點介紹
1.1 兩種電機在點位控制或調(diào)速應(yīng)用的介紹
步進、伺服電機主要用于精確定位場合，也都可以用于調(diào)速應(yīng)用。步進電機因效率低，一般不做為動力用；因存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動，不推薦用于轉(zhuǎn)矩控制。伺服系統(tǒng)則可以做轉(zhuǎn)矩控制，還可考慮取代變頻驅(qū)動當(dāng)動力用。
步進電機做調(diào)速應(yīng)用時，控制指令通常用脈沖指令，靠改變脈沖頻率來調(diào)速。相對變頻器調(diào)速，有低速力矩大，易于控制啟停，加減速時間短的優(yōu)勢（合適的電壓及負載條件下，百毫秒級就能達到目標(biāo)速度）。而且調(diào)速范圍較寬，在負載慣量比匹配合理的條件下，通常不需要另加減速機構(gòu)。缺點在于運行噪音相對大一些。
伺服電機做調(diào)速應(yīng)用相對變頻調(diào)速來說也有加減速時間短的優(yōu)勢，通�？勺龅綆资畟�毫秒就達到預(yù)期速度，調(diào)速范圍更寬。在做調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用時，控制信號建議用模擬量電壓信號。
1.2 步進和伺服的性能特點及對比：
2 電機選型及應(yīng)用經(jīng)驗
2.1 電機驅(qū)動選型方法
設(shè)備制造商在電機選型時，可參考以下方法：
1）使用環(huán)境，需要的防護等級，運行噪音指標(biāo)，溫升指標(biāo)等；
2）確定機械規(guī)格，負載、剛性等參數(shù)；
3）確認動作參數(shù)：轉(zhuǎn)速、行程、加減速時間、周期、精度等；
4）計算負載慣量、選擇電機慣量；
5）計算電機所需轉(zhuǎn)矩；
6）選擇最高轉(zhuǎn)速能滿足應(yīng)用要求的電機。
設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員可以按以下分工，來獲取這些信息--
項目經(jīng)理
詳細了解設(shè)備生產(chǎn)出產(chǎn)品的工藝，應(yīng)用環(huán)境，適用環(huán)溫，精度，產(chǎn)能，機械結(jié)構(gòu)，成本等參數(shù)，進而確定所需電機的噪音指標(biāo)、防護等級、應(yīng)用溫濕度。依據(jù)工藝、產(chǎn)能、大致的結(jié)構(gòu)，基本能得到每個電機的行程及每步動作分配的時間是多少，進而確定電機需求的轉(zhuǎn)速范圍，對應(yīng)上述介紹精度及建議的速度范圍數(shù)值，來確定選伺服還是步進的方向性。
機械設(shè)計人員
在機械傳動、結(jié)構(gòu)等設(shè)計之前，應(yīng)先對伺服或步進電機的型號規(guī)格做詳細的了解，按照電機行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸來設(shè)計，否則等設(shè)計好傳動、結(jié)構(gòu)后再來選電機，經(jīng)常會遇到：安裝空間不夠，沒有所需軸徑、軸長的標(biāo)準(zhǔn)電機；沒有所需的大力矩、合適慣量的電機等問題。影響進度，抬高成本。
備注
常用的控制類電機（包含伺服、步進）轉(zhuǎn)矩最大一般為50 NM (牛米)。雷賽慣量最大的步進電機型號為130HS45，慣量為：4.84*10-3(kg·m2)。步進電機軸徑、法蘭盤、端蓋固定孔位尺寸，大部分都是按照英制習(xí)慣。伺服電機尺寸一般都按照公制習(xí)慣。
機械設(shè)計人員要先計算運動部件的轉(zhuǎn)動慣量進而再計算需求力矩。
2.2 應(yīng)用經(jīng)驗
1）電機與負載間合理裝配聯(lián)接。
2）需注意驅(qū)動、電機的散熱。
3）選配驅(qū)動器，電源，合理設(shè)置電流，細分。
4）正確的電氣連接，合理的電氣裝配工藝。
5）設(shè)計合理的運動曲線。
下表分別為設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員如機械工程師、電氣工程師、軟件工程師提供一些參考
機械工程師參考
電氣工程師參考
軟件工程師參考
圖1
驅(qū)動器控制信號接線圖注釋：
1）脈沖，方向信號端接線原理圖；首先需滿足驅(qū)動器的信號電壓幅度條件。再考慮上位系統(tǒng)的信號輸出類型，基本可分為：差分型、NPN型（漏、拉電流型）、PNP型（源、推電流型）
2）以較為常見的NPN型輸出信號為例說明，緊緊抓住回路的概念：電流從信號電源的正端流向PUL+經(jīng)內(nèi)部電路后從PUL-端流出，再經(jīng)過上位控制器脈沖輸出口正端流向負端（NPN、PNP型脈沖輸出口的正負端都可理解成單向?qū)ㄩ_關(guān)），再從脈沖輸出口的負端流回信號電源的負端，如圖1形成完整的回路。
差分型輸出較為特殊；通常任意一端拿出來既能產(chǎn)生推電流又能產(chǎn)生拉電流，所以不能把幾路差分信號的“同名端”并聯(lián)在一起形成共陽或共陰接法。無論上位輸出的類型和驅(qū)動器信號接口是什么類型，只要能形成完整、可開關(guān)的回路就行。
3）另請注意當(dāng)信號電壓不是5V,需接電阻來限定電流時，方向與脈沖的回路中都應(yīng)有各自的限流電阻而不要去共用一個電阻。
4）為保證驅(qū)動器、電機的正常工作，建議控制指令的電源和其它帶有感性負載的電源完全隔離。若不能隔離，請務(wù)必為感性負載設(shè)置續(xù)流二極管。
運動曲線、參數(shù)合理規(guī)劃設(shè)置：
軟件工程師需要做的有：規(guī)劃好每個軸的運動控制曲線，了解每個動作的時間、行程，合理的配置初速度、加速時間、最高速度、換向時間。以期望達到效率最高、效果最好。以梯形加減速為例，講述如何規(guī)劃設(shè)計一段運動曲線，見圖2及其說明。
若您的上位控制器不是通用的控制卡、PLC類,請注意以下幾點：
1）控制信號的高低電平時間是否滿足驅(qū)動器說明書上的要求。驅(qū)動器的信號輸入頻率都有上限。步進通常為200KHZ，伺服通常為500KHZ，所謂的200K,500K都有一個前提：占空比在50%時。實際上200K也就是限定了高和低電平時間都不小于2.5微秒；500K時限定高和低電平時間都不小于1微秒。
2）控制信號的幅度：高電平需高于3.5V；低電平需低于0.5V。MCU的輸出口通常不能直接帶動驅(qū)動器，需要設(shè)置放大電路來放大電流驅(qū)動能力，使脈沖方向輸出信號能達到典型應(yīng)用電流10毫安。
3）控制信號的時序需滿足說明書上的要求。通常驅(qū)動器會要求方向信號至少提前脈沖有效沿1-2微秒的時間。
圖2
說明：
V1：起跳速度
V2：最高速度
t1：加速時間
t3-t2：減速時間,通常設(shè)計成和加速時間t1一致。
機座60以下的步進電機，建議起跳速度設(shè)置在1.5轉(zhuǎn)/秒以下，達到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦30-150毫秒，電機端蓋尺寸86MM及以上，建議初始速度在1轉(zhuǎn)/秒以下，達到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速10轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦80-200毫秒。
400W及以下伺服建議初始速度3轉(zhuǎn)/秒以下，達到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦15-200毫秒。
750W-2000W伺服建議初始速度2轉(zhuǎn)/秒以下，達到30轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦40-300毫秒。
知道總行程S，和允許的時間T，就可以這樣計算出V1，V2，t1
S=(V1+V2)*t1+V2*（T-2t1）；為方便計算令V1=0;則V2*(T-t1)=S;知道S,T值和V2,t1的經(jīng)驗取值范圍，確定V2和t1中的任一個，剩下的也就確定了。
|
