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工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

2022-02-26 08:45:03

新一代信息技术的发展,使得无人化、物联数字化生产的工厂成为了可能。而无人化的数字智能制造的关键,在于各类工业母机的机电自动化和数字化。在我国,伺服电机的应用广泛,其中应用最多的领域是机床(尤其是数控机床),占比达20.4%,其次是电子制造设备、包装机械、纺织机械、工业机器人、塑料机械等行业,比重分别为16.5%、12.6%、12.1%、8.7%、8.2%。


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

伺服电机系系统


有数据表明,未来在新一代的机电装备中,随着各关联产业的快速发展,虽然未来5年的增速会放缓,但仍将缓慢增长。至2026年,伺服电机行业的市场规模有望达225亿元。


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

伺服电机的市场规模


那么,步进电机与伺服电机之间有什么本质不同呢?同为伺服电机家族里的同步和异步电机是怎么区分的呢?


步进电机与伺服电机


步进电机


是一种具有“高精度定位运行” 的同步电动机。它的驱动器根据从控制器所输出的脉冲信号来控制电动机步进同步,以设计的步距角(分辨率)来运转。它的特点是:仅用控制器、驱动器、电动机以开环控制方式,就可以进行简单的、高精度定位运行的电动机。


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

步进电机的结构


步进电动机在本体结构上的*特征,是在组装了线圈的定子内侧、转子的外侧有“小齿”,并在转子的内部组装了永磁铁。


伺服电机


伺服电机本体搭载旋转检测器(编码器),向驱动器反馈电动机轴的旋转位置/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。通过使用电动机、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动机。


在本体结构上,伺服电动机在电动机的尾部搭载旋转检测器(编码器等),来检测位置和速度。


此外,在以下几个方面,也是*伺服电机的重大理由:


在功率输出的选型上也有很大的不同。步进电动机与AC伺服电动机因构造的不同以及使用场合的不同,对应选型的功率规格也不同。当有高输出功率的必要时,如功率超过100W时,通常*AC伺服电动机。


转速转矩特性和定位时间不同。定位距离短,步进电动机根据收到的脉冲信号同步旋转,低转速领域内转矩大(起动/减速时响应性优越),伺服电动机动作会较脉冲信号延迟(受积存脉冲的影响),低转速领域内比步进电动机的转矩小。定位距离长,步进电动机在高速领域内比伺服电动转矩小,伺服电动机在高转速领域内比步进电动机转矩大(高速性能优越)。


在停止精度的差异大。因为步进电动机的静止角度误差受小齿的加工精度的影响,在小齿齿距为7.2°周期时有误差减少的倾向(因励磁相完全相同,所以不受定子小齿的误差影响)。所以,以7.2°为单位进行定位时,静止角度误差也变小。伺服电动机停止位置精度,受编码器的分辨率和编码器与电动机组装精度的影响。所以,若只将编码器调整为高分辨率的话,定位精度不会提升。


同步性方面。步进电动机因为是开环控制,与输入的脉冲进行同步运行。只要脉冲指令同步输入,就可以进行多台电动机几乎相同的运行。伺服电动机因为是闭环控制,相对脉冲指令发生迟延。控制多台电动机时,因迟延时间各不相同,有互相干扰运行不稳定情况的发生。


那么,都是伺服电机的伺服同步电机(永磁同步)和异步电机之间,又有什么不同呢?


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

伺服电机分类


如果我们仅从电机运转情况来观察,也可以很容易得出以下简单易懂的结论。


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

异步伺服电机


三相交流异步电机


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

异步电机的结构


同步伺服电机的结构


1、控制速度不同


同步伺服电机控制速度快,从发动到额外转速只需几毫秒,而相同情况下异步电机却需求几秒钟。


2、发动扭矩不同


同步伺服电机较异步伺服电机发动扭矩大,能够带动大惯量的物体进行运动。


3、功率密度不同


相同功率规模下,同步伺服电机能够把体积做得更小、重量做得更轻。


4、运转效率不同


同步伺服电机运转效率高, 可支撑低速长期运转,异步伺服电机支撑高速长期运转。


5、断电时情况不同


同步伺服电机断电无自转现象,可快速控制中止动作,异步伺服电机断电有自转现象。


工业母机的步进电机、伺服同步电机、异步电机间有什么不同?

伺服同步与异步伺服的区别示意


总之,由于伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象;伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动化控制系统中,用作执行元件时具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。因此,伺服电机系统在精度、矩频、过载等性能上的优势,比步进电机系统具有更广的应用范围,在机床工具、纺织机械、印刷机械和包装机械以及新一代的机器人、新能源汽车、光伏风电等清洁能源装备等工业母机领域,已经得到广泛应用。