步進(jìn)、閉環(huán)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)如何選擇？工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器保護(hù)設(shè)計(jì)方案！
步進(jìn)、閉環(huán)步進(jìn)、交流伺服產(chǎn)品的特點(diǎn)及對(duì)比，幫助工程師選擇最適合自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用要求的產(chǎn)品。
1、步進(jìn)、閉環(huán)、交流伺服產(chǎn)品對(duì)比
2、步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。
2.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)介紹
保持轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)繞組通額定電流但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時(shí)步進(jìn)電機(jī)輸出力矩近似于保持轉(zhuǎn)矩。
矩頻曲線：描述電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。
備注：步進(jìn)電機(jī)電壓平衡方程式：U=E+IR，供電電壓U，電機(jī)反電動(dòng)勢E，繞組電流I，繞組電阻R。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高反電動(dòng)勢越大，能流入電機(jī)繞組的電流越小，導(dǎo)致電機(jī)力矩越小。
轉(zhuǎn)子慣量：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量，負(fù)載慣量最大不宜超過電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量5倍。
步距角：整步下一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。一般兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8°，三相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是1.2°，五相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是0.72°。
2.2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)
2.3步進(jìn)電機(jī)接線方式
a) 四線電機(jī)：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值；
b) 六線電機(jī)高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的50%；
c) 六線電機(jī)高速模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的100% ；
d) 八線電機(jī)并聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的140% ；
e) 八線電機(jī)串聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的70%。
2.4步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)
低速力矩大，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，一般在800rpm以上力矩下降加快，精度是步距角的3%~5%，整圈沒有累積誤差，兩相混合步進(jìn)電機(jī)精度為0.18°；步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)性快，無過沖和整定時(shí)間，停止時(shí)電機(jī)軸無微振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)存在低頻共振，第一個(gè)共振點(diǎn)的轉(zhuǎn)速大約是1r/s。步進(jìn)電機(jī)是恒電流控制，發(fā)熱和噪音較大，同時(shí)沒有過載能力，電機(jī)力不夠就會(huì)堵轉(zhuǎn)，故選型時(shí)應(yīng)預(yù)留1.4-2倍安全系數(shù)。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器使用便捷無需復(fù)雜的調(diào)試就能使用。
3、閉環(huán)步進(jìn)
本體是步進(jìn)電機(jī)，增加位置反饋器件（光電編碼器或磁編碼器），運(yùn)用類似伺服電機(jī)的控制方法形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1閉環(huán)步進(jìn)重要參數(shù)
編碼器精度：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。閉環(huán)步進(jìn)常規(guī)編碼器線數(shù)有1000線、2500線、5000線。以5000線為例，它的分辨率為360°/(4*5000)=0.018° ，精度高于開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)。
矩頻曲線：描述電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。
位置誤差：指令位置和編碼器反饋位置之間的差值。位置誤差過大驅(qū)動(dòng)器會(huì)報(bào)超差報(bào)警。
3.2閉環(huán)步進(jìn)原理框圖
3.3 閉環(huán)步進(jìn)的特點(diǎn)
閉環(huán)步進(jìn)根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動(dòng)小于開環(huán)步進(jìn)，有編碼器反饋所以精度高于普通步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)響應(yīng)比開環(huán)步進(jìn)慢，運(yùn)行過程中存在位置誤差，誤差會(huì)在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低。高速力矩比開環(huán)步進(jìn)大，常見應(yīng)用在0-1500rpm場合。做插補(bǔ)機(jī)械剛性不足（皮帶結(jié)構(gòu)）且負(fù)載慣量較大時(shí)，會(huì)因?yàn)槲恢酶櫿`差大導(dǎo)致偏位。小部分閉環(huán)步進(jìn)需要簡單的調(diào)試才能使用。
4、交流伺服
伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。位置模式下伺服電機(jī)靠脈沖來定位，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度。同時(shí)伺服電機(jī)編碼器具備反饋功能，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼器都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動(dòng)器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動(dòng)器就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。
伺服電機(jī)重要參數(shù)
額定轉(zhuǎn)速：電動(dòng)機(jī)輸出最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）、以額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。
額定轉(zhuǎn)矩：是指電機(jī)能夠連續(xù)安全輸出的轉(zhuǎn)矩大小，在環(huán)境溫度為25 °C時(shí)，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)繞組溫度和驅(qū)動(dòng)器功率器件溫度不會(huì)超過最高允許溫度，電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)器不會(huì)損壞。
最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。在最大轉(zhuǎn)矩下短時(shí)工作不會(huì)引起電機(jī)損壞或性能不可恢復(fù)。
最大電流：伺服短時(shí)間工作允許通過的最大電流，一般為額定電流的3倍。
最高轉(zhuǎn)速：電機(jī)短時(shí)間工作的最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速電機(jī)力矩下降，電機(jī)發(fā)熱量更大。
轉(zhuǎn)子慣量J：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量單位kgcm^2，一般負(fù)載慣量最大不超過20倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量。
編碼器線數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。伺服常規(guī)編碼器線數(shù)有2500線、5000線、17位和23位編碼器。17位編碼器精度為0.0027°高于常規(guī)的步進(jìn)和閉環(huán)步進(jìn)。
伺服電機(jī)兩個(gè)重要公式：T=Kt*I，P=n（單位換算成弧度/秒）*T。
伺服電機(jī)的特點(diǎn)
交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點(diǎn)，常見200W,400W低中慣量交流伺服額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，最高轉(zhuǎn)速5000rpm，轉(zhuǎn)速高。力矩與電流成正比，可以工作在力矩模式，例如鎖螺絲，壓端子等需要恒定力矩的場合。交流伺服工作噪音振動(dòng)極小，發(fā)熱低。同體積下電機(jī)慣量轉(zhuǎn)子慣量小，400W伺服慣量僅相當(dāng)于57基座2NM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。伺服具備短時(shí)間過載能力，選型時(shí)需考慮加減速時(shí)電機(jī)過載倍數(shù)。伺服采用閉環(huán)控制，同閉環(huán)步進(jìn)一樣存在位置跟蹤誤差，雷賽伺服具備軌跡跟蹤和共振抑制功能以提高伺服剛性來降低位置誤差，和定位時(shí)間，以達(dá)到更好的插補(bǔ)效果。伺服需要調(diào)試才能使用。
5、三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比總結(jié)：
1）步進(jìn)電機(jī)適合低速短距離、小角度、快速起停、低機(jī)械連接剛性的場合及振動(dòng)、噪音、發(fā)熱和精度要求較低的場合。雷賽步進(jìn)調(diào)試簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)因?yàn)闊o定位時(shí)間和位置誤差較小比閉環(huán)和伺服存在優(yōu)勢。選型時(shí)要注意選型電機(jī)轉(zhuǎn)矩是理論計(jì)算扭矩的1.4-2倍，同時(shí)負(fù)載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量。
2）閉環(huán)步進(jìn)適用于普通步進(jìn)達(dá)不到的中速場合，中長行程點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，對(duì)噪音和振動(dòng)發(fā)熱和定位時(shí)間有一定的要求，精度較高，帶報(bào)警輸出，防止損壞機(jī)械設(shè)備浪費(fèi)貴重原材料，雷賽閉環(huán)步進(jìn)基本無需調(diào)試、價(jià)格適中。選型計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)矩不用預(yù)留安全系數(shù)，負(fù)載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)要求較強(qiáng)的機(jī)械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負(fù)載慣量比（負(fù)載慣量小于3倍轉(zhuǎn)子慣量）。
伺服適用于高速、中長行程、高精度、低噪音、低振動(dòng)、低發(fā)熱場合，雷賽伺服驅(qū)動(dòng)器帶多個(gè)自定義IO口和分頻輸出，功能齊全，拓展性強(qiáng)。但調(diào)試相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格較高。選型計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)矩不用預(yù)留安全系數(shù)，負(fù)載慣量小于30倍轉(zhuǎn)子慣量。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)要求較強(qiáng)的機(jī)械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負(fù)載慣量比（負(fù)載慣量小于3倍轉(zhuǎn)子慣量）。
工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)設(shè)計(jì)方案
伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的10年。那么隨著德國提出的工業(yè)4.0概念，工業(yè)4.0時(shí)代時(shí)代的工業(yè)自動(dòng)化，將在原有自動(dòng)化技術(shù)和架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，讓設(shè)備從傳感器到因特網(wǎng)的通訊能夠無縫對(duì)接，從而建立一個(gè)高度靈活的、個(gè)性化和數(shù)字化生產(chǎn)模式。在這種模式下，生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)可通過自我診斷、自我修正和各種功能軟件讓設(shè)備更加智能，以更好地輔助工人完成生產(chǎn)。
伺服驅(qū)動(dòng)器作為工業(yè)自動(dòng)化的重要一環(huán)，又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，進(jìn)而可以控制機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。
伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有電源動(dòng)力線和電機(jī)編碼器線。具體就是要有DC24V電源線，位置控制信號(hào)線，速度控制信號(hào)線，扭矩控制信號(hào)線，以及其他輸入輸出控制線。伺服驅(qū)動(dòng)器的DC24V提供電源，由于電源在后端負(fù)載出現(xiàn)過流以及短路時(shí)，都需要保護(hù)，TE公司的可以實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)的過流保護(hù)，當(dāng)故障消除時(shí)，只要斷電就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，避免了像一次性fuse那樣一旦過流斷開就需要維修的困境。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器各類輸出信號(hào)線，由于工業(yè)現(xiàn)場接線環(huán)境較惡劣，接線工作量較大，難免會(huì)有接線錯(cuò)誤，往往會(huì)將有功率限制的I/O端口，誤接短路，造成端口過流燒毀，因此，伺服驅(qū)動(dòng)器的每個(gè)輸出端口都很有必要設(shè)計(jì)過流保護(hù)措施，放置自恢復(fù)保險(xiǎn)絲在每個(gè)輸出端口處，以避免誤接短路事故的發(fā)生。這樣，如果調(diào)試人員在現(xiàn)場不小心將輸出端口錯(cuò)接或短路，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲將會(huì)立刻啟動(dòng)保護(hù)，限制了輸出端口的工作電流，保護(hù)了伺服驅(qū)動(dòng)器的I/O板。當(dāng)故障排除，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC又很快自動(dòng)恢復(fù)到低阻值狀態(tài)，伺服驅(qū)動(dòng)器又可以正常工作。
伺服控制器通過自動(dòng)化接口可以很方便地進(jìn)行操作模塊和現(xiàn)場總線模塊的轉(zhuǎn)換，同時(shí)使用不同的現(xiàn)場總線模塊實(shí)現(xiàn)不同的控制模式，這些總線是RS232和RS485。RS232和RS485總線也需要保護(hù)，對(duì)于需要出戶的總線，需要設(shè)計(jì)防雷保護(hù)，對(duì)于不同的防雷保護(hù)等級(jí)，TE電路保護(hù)部有一整套完整的方案。對(duì)于相對(duì)高等級(jí)的雷擊，可以用兩極保護(hù)的方案，PPTC可以實(shí)現(xiàn)耦合和過流保護(hù)的功能。對(duì)于不需出戶的RS232和RS485總線，則PPTC可以實(shí)現(xiàn)有效地過流保護(hù)功能。
