精密机床行业应用伺服电机和步进电机有什么区别?调试伺服电机方法!
我国在精密机床和机器人两大方面落后日德的现状,高端伺服电机不能国产之殇,也是国人的心病之一。伺服电机在功能和结构上与步进电机很相似,但是二者在性能上有非常大的差异。
首先, 伺服电机与步进电机控制的精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。而交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证,对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°,是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
步进电机在低速时易出现低频振动现象,步进电机的工作原理决定了低频振动现象对于机器的正常运转非常不利,步进电机存在固定的共振点,很多步进驱动器通过自动计算其振点,以调整控制算法来达到抑制其振的目的。
交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可弥补机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。
伺服系统的振动抑制功能包含共振抑制及阻尼减振两个部分。
第三,伺服电机与步进电机矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
第四,伺服电机与步进电机过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以M2交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
第五,伺服电机与步进电机运行性能不同
步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现失步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的失步或过冲的现象,控制性能更为可靠。
步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以鸣志400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
在一些要求非常高的场合,必须采用性能远高于步进电机的伺服电机。我国虽然具有世界上最全的工业门类,但是大部分处于“豪放派”领域,对于高端产品的积累还有很大的差距。
如何正确调试伺服电机?
1 初始化参数
在接线之前,先初始化参数。
在控制卡上:选好控制方式;将PID参数清零;让控制卡上电时默认使能信号关闭;将此状态保存,确保控制卡再次上电时即为此状态。
在伺服电机上:设置控制方式;设置使能由外部控制;编码器信号输出的齿轮比;设置控制信号与电机转速的比例关系。一般来说,建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。
2 接线
将控制卡断电,连接控制卡与伺服电机之间的信号线。以下的线是必须要接的:控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后,伺服电机和控制卡(以及PC)上电。此时电机应该不动,而且可以用外力轻松转动,如果不是这样,检查使能信号的设置与接线。用外力转动电机,检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化,否则检查编码器信号的接线和设置。
3 试方向
对于一个闭环控制系统,如果反馈信号的方向不正确,后果肯定是灾难性的。通过控制卡打开伺服的使能信号。这是伺服应该以一个较低的速度转动,这就是传说中的“零漂”。
一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数,看电机的转速和方向是否可以通过这个指令(参数)控制。
如果不能控制,检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确认给出正数,电机正转,编码器计数增加;给出负数,电机反转转,编码器计数减小。
如果电机带有负载,行程有限,不要采用这种方式。测试不要给过大的电压,建议在1V以下。如果方向不一致,可以修改控制卡或电机上的参数,使其一致。
4 抑制零漂
在闭环控制过程中,零漂的存在会对控制效果有一定的影响,最好将其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零漂的参数,仔细调整,使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随机性,所以,不必要求电机转速绝对为零。
5 建立闭环控制
再次通过控制卡将伺服电机使能信号放开,在控制卡上输入一个较小的比例增益,至于多大算较小,这只能凭感觉了,如果实在不放心,就输入控制卡能允许的最小值。将控制卡和伺服的使能信号打开。这时,电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。
6 调整闭环参数
细调控制参数,确保电机按照控制卡的指令运动,这是必须要做的工作,而这部分工作,更多的是经验,这里只能从略了。