本文主要針對(duì)設(shè)備制造商相關(guān)人員，如項(xiàng)目經(jīng)理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣、軟件運(yùn)動(dòng)控制工程師，講述步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)（本文都指永磁同步交流伺服電機(jī)）的作用，選用方法及周邊配套設(shè)施的選配和主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
1 步進(jìn)和伺服電機(jī)的各自特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)介紹
1.1 兩種電機(jī)在點(diǎn)位控制或調(diào)速應(yīng)用的介紹
步進(jìn)、伺服電機(jī)主要用于精確定位場(chǎng)合，也都可以用于調(diào)速應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)因效率低，一般不做為動(dòng)力用；因存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，不推薦用于轉(zhuǎn)矩控制。伺服系統(tǒng)則可以做轉(zhuǎn)矩控制，還可考慮取代變頻驅(qū)動(dòng)當(dāng)動(dòng)力用。
步進(jìn)電機(jī)做調(diào)速應(yīng)用時(shí)，控制指令通常用脈沖指令，靠改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速。相對(duì)變頻器調(diào)速，有低速力矩大，易于控制啟停，加減速時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)（合適的電壓及負(fù)載條件下，百毫秒級(jí)就能達(dá)到目標(biāo)速度）。而且調(diào)速范圍較寬，在負(fù)載慣量比匹配合理的條件下，通常不需要另加減速機(jī)構(gòu)。缺點(diǎn)在于運(yùn)行噪音相對(duì)大一些。
伺服電機(jī)做調(diào)速應(yīng)用相對(duì)變頻調(diào)速來(lái)說(shuō)也有加減速時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，通常可做到幾十個(gè)毫秒就達(dá)到預(yù)期速度，調(diào)速范圍更寬。在做調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用時(shí)，控制信號(hào)建議用模擬量電壓信號(hào)。
1.2 步進(jìn)和伺服的性能特點(diǎn)及對(duì)比：
2 電機(jī)選型及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)
2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選型方法
設(shè)備制造商在電機(jī)選型時(shí)，可參考以下方法：
1）使用環(huán)境，需要的防護(hù)等級(jí)，運(yùn)行噪音指標(biāo)，溫升指標(biāo)等；
2）確定機(jī)械規(guī)格，負(fù)載、剛性等參數(shù)；
3）確認(rèn)動(dòng)作參數(shù)：轉(zhuǎn)速、行程、加減速時(shí)間、周期、精度等；
4）計(jì)算負(fù)載慣量、選擇電機(jī)慣量；
5）計(jì)算電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩；
6）選擇最高轉(zhuǎn)速能滿(mǎn)足應(yīng)用要求的電機(jī)。
設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員可以按以下分工，來(lái)獲取這些信息--
項(xiàng)目經(jīng)理
詳細(xì)了解設(shè)備生產(chǎn)出產(chǎn)品的工藝，應(yīng)用環(huán)境，適用環(huán)溫，精度，產(chǎn)能，機(jī)械結(jié)構(gòu)，成本等參數(shù)，進(jìn)而確定所需電機(jī)的噪音指標(biāo)、防護(hù)等級(jí)、應(yīng)用溫濕度。依據(jù)工藝、產(chǎn)能、大致的結(jié)構(gòu)，基本能得到每個(gè)電機(jī)的行程及每步動(dòng)作分配的時(shí)間是多少，進(jìn)而確定電機(jī)需求的轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)應(yīng)上述介紹精度及建議的速度范圍數(shù)值，來(lái)確定選伺服還是步進(jìn)的方向性。
機(jī)械設(shè)計(jì)人員
在機(jī)械傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先對(duì)伺服或步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)規(guī)格做詳細(xì)的了解，按照電機(jī)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸來(lái)設(shè)計(jì)，否則等設(shè)計(jì)好傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)后再來(lái)選電機(jī)，經(jīng)常會(huì)遇到：安裝空間不夠，沒(méi)有所需軸徑、軸長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)；沒(méi)有所需的大力矩、合適慣量的電機(jī)等問(wèn)題。影響進(jìn)度，抬高成本。
備注
常用的控制類(lèi)電機(jī)（包含伺服、步進(jìn)）轉(zhuǎn)矩最大一般為50 NM (牛米)。雷賽慣量最大的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為130HS45，慣量為：4.84*10-3(kg·m2)。步進(jìn)電機(jī)軸徑、法蘭盤(pán)、端蓋固定孔位尺寸，大部分都是按照英制習(xí)慣。伺服電機(jī)尺寸一般都按照公制習(xí)慣。
機(jī)械設(shè)計(jì)人員要先計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)而再計(jì)算需求力矩。
2.2 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)
1）電機(jī)與負(fù)載間合理裝配聯(lián)接。
2）需注意驅(qū)動(dòng)、電機(jī)的散熱。
3）選配驅(qū)動(dòng)器，電源，合理設(shè)置電流，細(xì)分。
4）正確的電氣連接，合理的電氣裝配工藝。
5）設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。
下表分別為設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員如機(jī)械工程師、電氣工程師、軟件工程師提供一些參考
機(jī)械工程師參考
電氣工程師參考
軟件工程師參考
圖1
驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)接線(xiàn)圖注釋?zhuān)?/font>
1）脈沖，方向信號(hào)端接線(xiàn)原理圖；首先需滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)電壓幅度條件。再考慮上位系統(tǒng)的信號(hào)輸出類(lèi)型，基本可分為：差分型、NPN型（漏、拉電流型）、PNP型（源、推電流型）
2）以較為常見(jiàn)的NPN型輸出信號(hào)為例說(shuō)明，緊緊抓住回路的概念：電流從信號(hào)電源的正端流向PUL+經(jīng)內(nèi)部電路后從PUL-端流出，再經(jīng)過(guò)上位控制器脈沖輸出口正端流向負(fù)端（NPN、PNP型脈沖輸出口的正負(fù)端都可理解成單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)），再?gòu)拿}沖輸出口的負(fù)端流回信號(hào)電源的負(fù)端，如圖1形成完整的回路。
差分型輸出較為特殊；通常任意一端拿出來(lái)既能產(chǎn)生推電流又能產(chǎn)生拉電流，所以不能把幾路差分信號(hào)的“同名端”并聯(lián)在一起形成共陽(yáng)或共陰接法。無(wú)論上位輸出的類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)器信號(hào)接口是什么類(lèi)型，只要能形成完整、可開(kāi)關(guān)的回路就行。
3）另請(qǐng)注意當(dāng)信號(hào)電壓不是5V,需接電阻來(lái)限定電流時(shí)，方向與脈沖的回路中都應(yīng)有各自的限流電阻而不要去共用一個(gè)電阻。
4）為保證驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)的正常工作，建議控制指令的電源和其它帶有感性負(fù)載的電源完全隔離。若不能隔離，請(qǐng)務(wù)必為感性負(fù)載設(shè)置續(xù)流二極管。
運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)、參數(shù)合理規(guī)劃設(shè)置：
軟件工程師需要做的有：規(guī)劃好每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制曲線(xiàn)，了解每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、行程，合理的配置初速度、加速時(shí)間、最高速度、換向時(shí)間。以期望達(dá)到效率最高、效果最好。以梯形加減速為例，講述如何規(guī)劃設(shè)計(jì)一段運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2及其說(shuō)明。
若您的上位控制器不是通用的控制卡、PLC類(lèi),請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：
1）控制信號(hào)的高低電平時(shí)間是否滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)器說(shuō)明書(shū)上的要求。驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入頻率都有上限。步進(jìn)通常為200KHZ，伺服通常為500KHZ，所謂的200K,500K都有一個(gè)前提：占空比在50%時(shí)。實(shí)際上200K也就是限定了高和低電平時(shí)間都不小于2.5微秒；500K時(shí)限定高和低電平時(shí)間都不小于1微秒。
2）控制信號(hào)的幅度：高電平需高于3.5V；低電平需低于0.5V。MCU的輸出口通常不能直接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，需要設(shè)置放大電路來(lái)放大電流驅(qū)動(dòng)能力，使脈沖方向輸出信號(hào)能達(dá)到典型應(yīng)用電流10毫安。
3）控制信號(hào)的時(shí)序需滿(mǎn)足說(shuō)明書(shū)上的要求。通常驅(qū)動(dòng)器會(huì)要求方向信號(hào)至少提前脈沖有效沿1-2微秒的時(shí)間。
圖2
說(shuō)明：
V1：起跳速度
V2：最高速度
t1：加速時(shí)間
t3-t2：減速時(shí)間,通常設(shè)計(jì)成和加速時(shí)間t1一致。
機(jī)座60以下的步進(jìn)電機(jī)，建議起跳速度設(shè)置在1.5轉(zhuǎn)/秒以下，達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/秒的加減速時(shí)間推薦30-150毫秒，電機(jī)端蓋尺寸86MM及以上，建議初始速度在1轉(zhuǎn)/秒以下，達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速10轉(zhuǎn)/秒的加減速時(shí)間推薦80-200毫秒。
400W及以下伺服建議初始速度3轉(zhuǎn)/秒以下，達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/秒的加減速時(shí)間推薦15-200毫秒。
750W-2000W伺服建議初始速度2轉(zhuǎn)/秒以下，達(dá)到30轉(zhuǎn)/秒的加減速時(shí)間推薦40-300毫秒。
知道總行程S，和允許的時(shí)間T，就可以這樣計(jì)算出V1，V2，t1
S=(V1+V2)*t1+V2*（T-2t1）；為方便計(jì)算令V1=0;則V2*(T-t1)=S;知道S,T值和V2,t1的經(jīng)驗(yàn)取值范圍，確定V2和t1中的任一個(gè)，剩下的也就確定了。
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