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步进电机和伺服电机在构造和驱动原理上的区别

2023-03-07
阅读:
发布者: 小编

步进电机通过其内部的转子和定子上的小齿进行定位。

伺服电机则使用连接到其内部转子的编码器进行定位。

接下来将介绍以上两种电机的构造和驱动原理。


步进电机的构造
步进电机的断面图如下图所示。
步进电机构造上大致分为定子与转子两部分。转子由转子1、转子2、永磁磁钢3部分构成。
此外,转子已被轴向磁化,转子1为N极时,转子2则为S极。

定子拥有小齿状的磁极,皆绕有线圈。其线圈的对角位置的磁极相互连接着,通电时,线圈即会被磁化成同一极性。(例如对某一线圈进行通电后,对角线的磁极将磁化成S极或N极。)
对角线的2个磁极形成1个相。
有A相至E相等5个相位的机型称为5相步进电动机、有A相和B相2个相位的机型称为2相步进电动机。
转子的外圈由50个小齿构成,转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2螺距。

励磁:是指电动机线圈通电时的状态
磁极:是指励磁后变成电磁铁的定子突出部分
小齿:是指转子和定子的小齿



步进电机的动作原理
下面以5相步进电机为实例,针对实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系进行说明。

将A相励磁时
将A相励磁,会使得磁极磁化成S极,而其将与带有N极极性的转子1的小齿互相吸引,并与带有S极极性的转子2的小齿相斥,于平衡后停止。此时,没有励磁的B相磁极的小齿和带有S极极性的转子2的小齿互相偏离0.72°。以上是A相励磁时的定子和转子小齿的位置关系。



将B相励磁时
其次由A相励磁转为B相励磁时,B相磁极磁化成N极,与拥有S极极性的转子2互相吸引,而与拥有N极极性的转子1相斥。

也就是说,将励磁相从A相励磁转换至B相励磁时,转子旋转0.72°。
由此可知,励磁相位随A相→B相→C相→D相→E相→A相依次转换,则步进电动机以每次0.72°做正确的旋转。
此外,希望作反方向旋转时,只需将励磁顺序倒转,依照A相→E相→D相→C相→B相→A相励磁即可。
0.72°的高分辨率取决于定子和转子构造上的机械偏移量,所以不需要编码器等传感器即可正确定位。


开环控制与系统构成示例
下图为脉冲型驱动器驱动步进电机时的系统构成示例。

步进电机进行开环动作,驱动器根据从控制器所输出的脉冲信号控制步进电动机同步,以设计的步距角(分辨率)进行运转。此类开环控制的步进电机相对于转矩波动的波动范围很小,同步性较高,可以在没有转子位置检测的情况下运行。









伺服电机的构造
AC伺服电机在电机的反输出轴侧搭载有转速探测器(编码器),通过检测转子的位置和速度,可执行高分辨率、高响应定位运行。



编码器是检测电机转速和位置的传感器。
发光二极管(LED)发出的光线穿过切口圆盘上的位置检测模式,由受光元件读取。受光元件上集成有数十个光电晶体管。绝对位置检测用模式因编码器的旋转角度不同而全部不同。
编码器搭载CPU,对绝对位置检测用模式进行分析。通过串行通信将该当前位置数据传送到伺服驱动器。


编码器的种类
绝对式编码器
电机搭载编码器,用于向驱动器反馈电动机轴的旋转位置及转速。
根据构造的不同,可以分为绝对式编码器与增量式编码器两类。
本公司的AC伺服电动机NX系列使用了20bit的绝对式编码器,实现了在低速领域的低振动。


绝对式编码器可检测电动机旋转一圈内的绝对位置,并输出旋转角度的绝对位置。
通常,通电后先发送旋转圈速信息至驱动器,再输出当前位置信号。
增量式编码器
用于检测电动机的旋转量、转速、旋转方向的编码器。
对应角度的变化,输出相应的脉冲信号。通常,直接发送检测出的波形,因此停电时当前位置无法保存。



AC伺服电机的控制配置图
对来自外部的脉冲信号(脉冲序列输入型时)和伺服电机的编码器检测到的运转量进行计数,将其差分(偏差)输出到速度控制部。这个计数器被称为偏差计数器。
电机旋转过程中,偏差计数器出现积存脉冲(=位置偏差),将该积存脉冲控制为0。
通过定位环(偏差计数器)实现了保持当前位置的(伺服锁定)功能。

AC伺服电机由电动机和编码器、以及驱动器3个要素构成,驱动器的作用是对位置指令和编码器的位置、速度信息进行比较,控制驱动电流。 AC伺服电机时常会通过编码器的位置、速度信息检测电机的状态,因此,万一电机停止运行,也能够向控制器侧输出警报信号,检测出异常状态。 AC伺服电机必须根据机构的刚性及负载条件来调整控制系统的参数,但近年来采用了实时自动增益调整,这种调整变得非常简单。

闭环控制与系统构成示例
下图为脉冲型驱动器驱动伺服电机时的系统构成示例。 电机搭载旋转检测器(编码器),向驱动器反馈电机轴的旋转位置/转速。驱动器通过演算从控制器发出的脉冲信号(位置指令/速度指令)与反馈信号(当前位置/速度)的误差,将此误差控制为0,进行电动机旋转的控制。是通过使用电机、驱动器、编码器构成闭环控制,可以进行高精度定位运行的电机。

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