步進,、閉環(huán),、交流伺服電機驅(qū)動如何選擇,？工業(yè)伺服驅(qū)動器保護設計方案！
步進,、閉環(huán)步進,、交流伺服產(chǎn)品的特點及對比，幫助工程師選擇最適合自動化設備應用要求的產(chǎn)品,。
1,、步進、閉環(huán),、交流伺服產(chǎn)品對比
2,、步進電機
步進電機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角,。
2.1 步進電機參數(shù)介紹
保持轉(zhuǎn)矩：步進電機繞組通額定電流但沒有轉(zhuǎn)動時,，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩,，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時步進電機輸出力矩近似于保持轉(zhuǎn)矩。
矩頻曲線：描述電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線,。
備注：步進電機電壓平衡方程式：U=E+IR,，供電電壓U，電機反電動勢E,，繞組電流I,，繞組電阻R。電機轉(zhuǎn)速越高反電動勢越大,，能流入電機繞組的電流越小,，導致電機力矩越小。
轉(zhuǎn)子慣量：步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量,，負載慣量最大不宜超過電機轉(zhuǎn)子慣量5倍,。
步距角：整步下一個脈沖信號步進電機轉(zhuǎn)過的角度。一般兩相混合式步進電機步距角是1.8°,，三相混合步進電機步距角是1.2°,，五相混合步進電機步距角是0.72°。
2.2 步進電機結(jié)構(gòu)
2.3步進電機接線方式
a) 四線電機：輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值,；
b) 六線電機高力矩模式：輸出電流設成電機單極性接法額定電流的50%,；
c) 六線電機高速模式：輸出電流設成電機單極性接法額定電流的100% ；
d) 八線電機并聯(lián)接法：輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的140% ；
e) 八線電機串聯(lián)接法：輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的70%,。
2.4步進電機特點
低速力矩大,，轉(zhuǎn)矩會隨著轉(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，兩相混合步進電機精度為0.18°,；步進電機采用開環(huán)控制,，系統(tǒng)響應性快，無過沖和整定時間,，停止時電機軸無微振動,。步進電機存在低頻共振，第一個共振點的轉(zhuǎn)速大約是1r/s,。步進電機是恒電流控制,，發(fā)熱和噪音較大，同時沒有過載能力,，電機力不夠就會堵轉(zhuǎn),，故選型時應預留1.4-2倍安全系數(shù)。步進電機及驅(qū)動器使用便捷無需復雜的調(diào)試就能使用,。
3,、閉環(huán)步進
本體是步進電機，增加位置反饋器件（光電編碼器或磁編碼器）,，運用類似伺服電機的控制方法形成的閉環(huán)控制系統(tǒng),。
3.1閉環(huán)步進重要參數(shù)
編碼器精度：電機轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動器的脈沖個數(shù)，影響閉環(huán)步進精度,。閉環(huán)步進常規(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)控制的步進電機,。
矩頻曲線：描述電機轉(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)動器會報超差報警,。
3.2閉環(huán)步進原理框圖
3.3 閉環(huán)步進的特點
閉環(huán)步進根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動小于開環(huán)步進,，有編碼器反饋所以精度高于普通步進電機,，電機響應比開環(huán)步進慢，運行過程中存在位置誤差，誤差會在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低,。高速力矩比開環(huán)步進大,，常見應用在0-1500rpm場合。做插補機械剛性不足（皮帶結(jié)構(gòu)）且負載慣量較大時,，會因為位置跟蹤誤差大導致偏位,。小部分閉環(huán)步進需要簡單的調(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（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng),。位置模式下伺服電機靠脈沖來定位,，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應的角度,。同時伺服電機編碼器具備反饋功能,，伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器都會發(fā)出對應數(shù)量的反饋脈沖,，反饋脈沖和伺服驅(qū)動器接收的脈沖形成閉環(huán)控制,，這樣伺服驅(qū)動器就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位,。
伺服電機重要參數(shù)
額定轉(zhuǎn)速：電動機輸出最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）,、以額定功率運行時的轉(zhuǎn)速。
額定轉(zhuǎn)矩：是指電機能夠連續(xù)安全輸出的轉(zhuǎn)矩大小,，在環(huán)境溫度為25 °C時,，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運行，電動機繞組溫度和驅(qū)動器功率器件溫度不會超過最高允許溫度,，電動機或驅(qū)動器不會損壞,。
最大轉(zhuǎn)矩：電動機所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。在最大轉(zhuǎn)矩下短時工作不會引起電機損壞或性能不可恢復,。
最大電流：伺服短時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：電機短時間工作的最高轉(zhuǎn)速,，最高轉(zhuǎn)速電機力矩下降,，電機發(fā)熱量更大。
轉(zhuǎn)子慣量J：伺服電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量單位kgcm^2,，一般負載慣量最大不超過20倍電機轉(zhuǎn)子慣量,。
編碼器線數(shù)：電機轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動器的脈沖個數(shù)，影響閉環(huán)步進精度,。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)的步進和閉環(huán)步進,。
伺服電機兩個重要公式：T=Kt*I,，P=n（單位換算成弧度/秒）*T。
伺服電機的特點
交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點,，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極小，發(fā)熱低,。同體積下電機慣量轉(zhuǎn)子慣量小,，400W伺服慣量僅相當于57基座2NM步進電機的轉(zhuǎn)子慣量。伺服具備短時間過載能力,，選型時需考慮加減速時電機過載倍數(shù),。伺服采用閉環(huán)控制，同閉環(huán)步進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,，和定位時間，以達到更好的插補效果,。伺服需要調(diào)試才能使用,。
5、三種電機驅(qū)動方案對比總結(jié)：
1）步進電機適合低速短距離,、小角度,、快速起停、低機械連接剛性的場合及振動,、噪音,、發(fā)熱和精度要求較低的場合。雷賽步進調(diào)試簡單,，經(jīng)濟實惠,。做快速插補運動因為無定位時間和位置誤差較小比閉環(huán)和伺服存在優(yōu)勢。選型時要注意選型電機轉(zhuǎn)矩是理論計算扭矩的1.4-2倍,，同時負載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量,。
2）閉環(huán)步進適用于普通步進達不到的中速場合，中長行程點位運動,，對噪音和振動發(fā)熱和定位時間有一定的要求,，精度較高,，帶報警輸出，防止損壞機械設備浪費貴重原材料,，雷賽閉環(huán)步進基本無需調(diào)試、價格適中,。選型計算時轉(zhuǎn)矩不用預留安全系數(shù),，負載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量。做快速插補運動要求較強的機械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負載慣量比（負載慣量小于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、低發(fā)熱場合,，雷賽伺服驅(qū)動器帶多個自定義IO口和分頻輸出,，功能齊全，拓展性強,。但調(diào)試相對復雜,，價格較高。選型計算時轉(zhuǎn)矩不用預留安全系數(shù),，負載慣量小于30倍轉(zhuǎn)子慣量,。做快速插補運動要求較強的機械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負載慣量比（負載慣量小于3倍轉(zhuǎn)子慣量）。
工業(yè)伺服驅(qū)動器的保護設計方案
伺服驅(qū)動技術(shù)作為數(shù)控機床,、工業(yè)機器人及工業(yè)自動化的關(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)絡技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ),。如果說20世紀90年代則是伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化,、智能化、網(wǎng)絡化的10年,。那么隨著德國提出的工業(yè)4.0概念,，工業(yè)4.0時代時代的工業(yè)自動化，將在原有自動化技術(shù)和架構(gòu)下,，實現(xiàn)集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變,，讓設備從傳感器到因特網(wǎng)的通訊能夠無縫對接，從而建立一個高度靈活的,、個性化和數(shù)字化生產(chǎn)模式,。在這種模式下,，生產(chǎn)自動化技術(shù)可通過自我診斷、自我修正和各種功能軟件讓設備更加智能,，以更好地輔助工人完成生產(chǎn),。
伺服驅(qū)動器作為工業(yè)自動化的重要一環(huán)，又稱為“伺服控制器”,、“伺服放大器”,，是用來控制伺服電機的一種控制器，其屬于伺服系統(tǒng)的一部分,，主要應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伺服馬達進行控制,，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位,，進而可以控制機器人，從而實現(xiàn)工業(yè)自動化,。
伺服驅(qū)動器控制電機運轉(zhuǎn)必須要有電源動力線和電機編碼器線。具體就是要有DC24V電源線,，位置控制信號線,，速度控制信號線，扭矩控制信號線,，以及其他輸入輸出控制線,。伺服驅(qū)動器的DC24V提供電源，由于電源在后端負載出現(xiàn)過流以及短路時,，都需要保護,，TE公司的可以實現(xiàn)可恢復的過流保護，當故障消除時,，只要斷電就可以實現(xiàn)復位,，避免了像一次性fuse那樣一旦過流斷開就需要維修的困境。對于伺服驅(qū)動器各類輸出信號線,，由于工業(yè)現(xiàn)場接線環(huán)境較惡劣,，接線工作量較大,，難免會有接線錯誤,，往往會將有功率限制的I/O端口,，誤接短路，造成端口過流燒毀,，因此,，伺服驅(qū)動器的每個輸出端口都很有必要設計過流保護措施,，放置自恢復保險絲在每個輸出端口處,，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接或短路，自恢復保險絲將會立刻啟動保護,，限制了輸出端口的工作電流，保護了伺服驅(qū)動器的I/O板,。當故障排除,，自恢復保險絲PPTC又很快自動恢復到低阻值狀態(tài)，伺服驅(qū)動器又可以正常工作,。
伺服控制器通過自動化接口可以很方便地進行操作模塊和現(xiàn)場總線模塊的轉(zhuǎn)換,，同時使用不同的現(xiàn)場總線模塊實現(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，對于需要出戶的總線,，需要設計防雷保護,，對于不同的防雷保護等級，TE電路保護部有一整套完整的方案,。對于相對高等級的雷擊,，可以用兩極保護的方案，PPTC可以實現(xiàn)耦合和過流保護的功能,。對于不需出戶的RS232和RS485總線,，則PPTC可以實現(xiàn)有效地過流保護功能。
