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采用闭环技术的步进电机逐渐渗透到伺服应用领域

2017年09月11日 15:06:13 中国传动网

在越来越多的高标准工业自动化应用领域,技术的进步正在改变步进电机和伺服电机之间的性能-成本比。

在采用了闭环技术后,成本更低的步进电机正在逐渐渗透到原本被高成本伺服电机所支配的应用领域。

步进电机与伺服电机

根据传统的观念,在需要速度超过800RPM以及需要高动态响应的应用中,伺服控制系统性能更为出色。步进电机则更适合用于速度较低、低到中等加速度、和/或需要较高保持转矩的应用。

那么这种关于步进电机和伺服电机的传统观念的依据是什么呢?

结构

步进电机采用步进方式转动,利用磁线圈逐步拉动一个磁体,使其从一个位置到达下一个位置。要使电机在任何方向移动100个位置,电路都需要对电机进行100次步进操作。步进电机利用脉冲实现递增运动,可以在不使用任何反馈传感器的情况下实现精确定位。

图1.一个混合步进电机的机械结构

伺服电机的运动方法是不同的。它在磁转子上连接一个位置传感器–即编码器–会持续检测电机的准确位置。伺服会监控电机实际位置和指令位置之间的差异,并对电流进行相应的调整。这种闭环系统可以使电机保持在正确的运动状态。

图2.伺服电机

简便性和成本

步进电机不仅比伺服电机成本低,而且调试和维护都更加简单。步进电机在静止状态是稳定的,并能保持位置(即使是采用动态负载)。不过,如果某些应用场合有更高的性能要求,则必须采用更昂贵、更复杂的伺服电机。

定位

在需要随时了解机器准确位置的应用中,步进电机和伺服电机有重要差别。在通过步进电机控制的开环运动应用中,控制系统认为电机始终处于正确的运动状态。不过,在遇到问题以后,比如因为部件卡住而导致电机失速,控制器就无法了解机器的实际位置,从而导致失位。伺服电机本身的闭环系统具有一个优势:如果其被一个物体卡住,会立刻检测到。机器会停止操作,始终不会失位。

图3.在一个闭环伺服系统中的位置反馈

速度和转矩

步进电机和伺服电机的性能差异源自他们不同的电机设计方案。步进电机的极数比伺服电机多得多,因此步进电机旋转一整圈,所需的绕组电流交换次数要多得多,从而导致在速度增加的情况下,其转矩迅速下降。另外,如果达到了最大转矩,步进电机可能会失去速度同步化功能。出于这些原因,在大部分高速应用中,伺服电机都是首选方案。与此相反,步进电机较多的极数在低速状态下具有优势,因为此时步进电机与同等尺寸的伺服电机相比具有转矩优势。

图4.随着速度的增加,步进电机的转矩会下降

热和能耗

开环步进电机采用固定电流,并会散发大量热量。闭环控制只提供速度环路所需的电流,因此避免了电机发热问题。

步进电机与伺服电机的比较总结

伺服控制系统最适合涉及到动态负载变化的高速应用,比如机械臂。步进控制系统则更适合需要低到中加速度和高保持转矩的应用,比如3D打印机、传送带、副轴等。因为步进电机成本更低,所以在使用之后,可以降低自动化系统的成本。运动控制系统如果需要利用伺服电机的特性,就必须证明这些成本较高的电机物有所值。

图5.在闭环技术进步的推动下,步进电机能够渗透到以前完全属于伺服电机的高性能、高速度应用领域

改变观念

如果能将闭环伺服技术优势适用于步进电机,那么效果会如何呢?我们是否能在实现步进电机成本优势的同时,达到与伺服电机相仿的性能呢?

通过结合闭环控制技术,步进电机将会成为一个同时具备伺服和步进电机优点的低成本的综合性产品。因为闭环步进电机能够显著提高性能和能效,所以可以在越来越多的高标准应用中取代更昂贵的伺服电机。

高创(Servotronix)在其stepIM综合步进电机中嵌入了闭环控制功能。

图6.Servotronix采用闭环控制的stepIM产品

经过集成电子控制后的步进电机相当于一个双相无刷直流电机,可以执行位置环路控制、速度环路控制、DQ控制、以及其他算法。采用一个单圈绝对式编码器实现闭环换向,从而确保可以在任何速度下达到最佳转矩。

在这方面,我们可以考虑stepIM产品。

低能耗以及保持冷却状态

StepIM步进电机具有高能效。与始终按照全电流指令操作的开环步进电机会导致发热和噪音问题不同,stepIM的电流会根据运动的实际情况改变的,比如在加速和减速过程中。与伺服类似,在任何时刻,这些步进电机所消耗的电流都与所需的实际转矩成正比。因为电机和集成电子控制板运行温度更低,所以stepIM步进电机可以实现与伺服电机相仿的更高峰值转矩。

图7.即使在高速度下,StepIM步进电机所需的电流也更小

精确匹配性能要求

为了确保有足够的转矩来克服干扰和避免失步,开环步进电机通常要保证转矩至少比应用所需的数值高40%。闭环stepIM步进电机则不存在这个问题。在这些步进电机因为过载而达到失速状态时,它们会继续保持负载状态,不会失去转矩。在消除过载状态后,它们会继续运行。在任何指定速度下,都可以保证最大转矩,同时通过位置传感器来确保不会失步。因此,闭环步进电机的规格可以精确匹配相关应用的转矩要求,不需要额外增加40%的裕度。

对于开环步进电机,因为有失步的风险,所以难以满足较高的瞬态转矩需求。stepIM闭环步进电机可以实现很快的加速,运行噪音更低,并且共振比传统步进电机更小。它们可以在更高的带宽下操作,并实现出色的性能。

无柜机器

stepIM将驱动控制板与电机集成在一起,减少了连线数量,简化了实施方案。使用stepIM,可以建造无柜机器。

图8.将电子设备与步进电机集成在一起,可以降低复杂度

下面我们研究了在一种木材切割应用中的运动控制性能,这种应用一般采用伺服电机来进行,不过现在则用stepIM闭环步进电机来实现。(以下是我们研究过的一个木材切割应用案例,要达到该应用要求的运动控制性能,通常是采用伺服电机来实现的,现在我们使用StepIM闭环步进电机来实现。)

在高精度木材切割机器中的闭环步进电机

一家全球工业自动化企业每年都要制造和销售数百台制造木质窗框的精密数控机床。该应用需要实现精确的同步化和高转矩,每台机器大约需要20-30个气动和电子伺服电机。伺服电机的成本使得系统整体成本显著增加。

图9.木质窗框的加工过程

因为伺服设备成本较高,所以会显著增加每台机器的整体成本。另外,因为单体式机柜安装伺服编码器需要大量额外的连线,所以增加了安装时间以及维护复杂度。

在了解到关于高创(Servotronix)闭环步进电机stepIM的信息后,公司迫切希望确定它们是否适用于这些木材加工机器。

开发部主管说:“为了确保我们的高端机器在全球范围内具有竞争力,成本已经成为一个重要因素。不过,我们在任何情况下都不能影响性能、精度、和可靠性。”

如果使用较低成本的闭环步进电机能够实现性能目标,那么公司会用它们来取代更昂贵的伺服电机,从而在市场竞争中获取优势。

公司推出了一个试点项目,用高创(Servotronix)的stepIM步进电机来取代一台机器上的伺服电机。除了电机以外其他设置保持不变-运动控制器和通信协议(CANopen)都与原来一样。

另外,因为stepIM与驱动控制板集成在一起,所需的连线更少,所以同时也达到了明显的简化效果。在连线减少的情况下,设置和维护速度更快,更加容易。

仅过了几个月后,在高创(Servotronix)提供出色技术支持的情况下,公司能够建造自己的步进型机器,其性能与标准伺服机器相仿。

在实现项目目标后,项目经理非常高兴:“我们可以用stepIM产品取代目标机器上的伺服电机。虽然我们还需要编写一些软件并进行一些初步的测试,但是我们在几个月内就达到了预期的目标。”

接下来要确定采用步进电机的机器是否能达到精度、加速度、能耗、和其他关键性能指标。

在经过了为期一个月的试验后,公司确定:采用闭环步进电机的机器不仅满足了所有规格和机器性能要求,而且还将每台机器的复杂度和切割成本降低了5%以上。公司现在已经开始在300台新机器上采用stepIM。

新的机遇

闭环步进电机改变了很多运动控制应用中的性能-成本比。因为拥有出色的精度和能效,所以stepIM步进电机能够用于过去以更昂贵伺服电机为主的领域。stepIM闭环伺服电机很适合多轴应用,负载变化的定位任务,以及要求安静操作(运行安静)、短稳定时间(整定时间短)和精确定位的其他应用。

目前,高创(Servotronix)的stepIM闭环步进电机已经用于木材加工、医疗、印刷、牙科研磨、太阳能、以及众多其他高标准应用领域,这些以往都是伺服电机的专属应用领域。

供稿:高创传动科技开发(深圳)有限公司

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=29792

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