步進電動機和伺服電動機在構(gòu)造和驅(qū)動原理上的區(qū)別
| 步進電動機通過其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和定子上的小齒進行定位。 伺服電動機則使用連接到其內(nèi)部轉(zhuǎn)子的編碼器進行定位。 此外，本公司還備有αSTEP AZ系列產(chǎn)品，基于步進電動機結(jié)合開環(huán)控制和閉環(huán)控制執(zhí)行混合切換控制。 接下來將介紹以上三種電動機的構(gòu)造和驅(qū)動原理。 |
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步進電動機的構(gòu)造
步進電動機的斷面圖如下圖所示。
步進電動機構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2、永磁磁鋼3部分構(gòu)成。
此外，轉(zhuǎn)子已被軸向磁化，轉(zhuǎn)子1為N極時，轉(zhuǎn)子2則為S極。
步進電動機構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2、永磁磁鋼3部分構(gòu)成。
此外，轉(zhuǎn)子已被軸向磁化，轉(zhuǎn)子1為N極時，轉(zhuǎn)子2則為S極。
定子擁有小齒狀的磁極，皆繞有線圈。其線圈的對角位置的磁極相互連接著，通電時，線圈即會被磁化成同一極性。（例如對某一線圈進行通電后，對角線的磁極將磁化成S極或N極。）
對角線的2個磁極形成1個相。
有A相至E相等5個相位的機型稱為5相步進電動機、有A相和B相2個相位的機型稱為2相步進電動機。
轉(zhuǎn)子的外圈由50個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯開1/2螺距。
對角線的2個磁極形成1個相。
有A相至E相等5個相位的機型稱為5相步進電動機、有A相和B相2個相位的機型稱為2相步進電動機。
轉(zhuǎn)子的外圈由50個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯開1/2螺距。
勵磁：是指電動機線圈通電時的狀態(tài)
磁極：是指勵磁后變成電磁鐵的定子突出部分
小齒：是指轉(zhuǎn)子和定子的小齒
磁極：是指勵磁后變成電磁鐵的定子突出部分
小齒：是指轉(zhuǎn)子和定子的小齒
步進電動機的動作原理
下面以5相步進電動機為實例，針對實際上經(jīng)過磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系進行說明。
將A相勵磁時
將A相勵磁，會使得磁極磁化成S極，而其將與帶有N極極性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥，于平衡后停止。此時，沒有勵磁的B相磁極的小齒和帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒互相偏離0.72°。以上是A相勵磁時的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。
將A相勵磁時
將A相勵磁，會使得磁極磁化成S極，而其將與帶有N極極性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥，于平衡后停止。此時，沒有勵磁的B相磁極的小齒和帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒互相偏離0.72°。以上是A相勵磁時的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。
將B相勵磁時
其次由A相勵磁轉(zhuǎn)為B相勵磁時，B相磁極磁化成N極，與擁有S極極性的轉(zhuǎn)子2互相吸引，而與擁有N極極性的轉(zhuǎn)子1相斥。
其次由A相勵磁轉(zhuǎn)為B相勵磁時，B相磁極磁化成N極，與擁有S極極性的轉(zhuǎn)子2互相吸引，而與擁有N極極性的轉(zhuǎn)子1相斥。
也就是說，將勵磁相從A相勵磁轉(zhuǎn)換至B相勵磁時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.72°。
由此可知，勵磁相位隨A相→B相→C相→D相→E相→A相依次轉(zhuǎn)換，則步進電動機以每次0.72°做正確的旋轉(zhuǎn)。
此外，希望作反方向旋轉(zhuǎn)時，只需將勵磁順序倒轉(zhuǎn)，依照A相→E相→D相→C相→B相→A相勵磁即可。
0.72°的高分辨率取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確定位。
由此可知，勵磁相位隨A相→B相→C相→D相→E相→A相依次轉(zhuǎn)換，則步進電動機以每次0.72°做正確的旋轉(zhuǎn)。
此外，希望作反方向旋轉(zhuǎn)時，只需將勵磁順序倒轉(zhuǎn)，依照A相→E相→D相→C相→B相→A相勵磁即可。
0.72°的高分辨率取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確定位。
開環(huán)控制與系統(tǒng)構(gòu)成示例
下圖為脈沖型驅(qū)動器驅(qū)動步進電動機時的系統(tǒng)構(gòu)成示例。
步進電動機進行開環(huán)動作，驅(qū)動器根據(jù)從控制器所輸出的脈沖信號控制步進電動機同步，以設(shè)計的步距角（分辨率）進行運轉(zhuǎn)。此類開環(huán)控制的步進電動機相對于轉(zhuǎn)矩波動的波動范圍很小，同步性較高，可以在沒有轉(zhuǎn)子位置檢測的情況下運行。
步進電動機進行開環(huán)動作，驅(qū)動器根據(jù)從控制器所輸出的脈沖信號控制步進電動機同步，以設(shè)計的步距角（分辨率）進行運轉(zhuǎn)。此類開環(huán)控制的步進電動機相對于轉(zhuǎn)矩波動的波動范圍很小，同步性較高，可以在沒有轉(zhuǎn)子位置檢測的情況下運行。
相關(guān)產(chǎn)品
| 2相步進電動機PKP系列 |
5相步進電動機PKP系列 | 步進電動機驅(qū)動器CVD系列 |
| 高轉(zhuǎn)矩低振動的 2相步進電動機。  |
高精度低振動的 5相步進電動機。 
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伺服電動機的構(gòu)造
AC伺服電動機在電動機的反輸出軸側(cè)搭載有轉(zhuǎn)速探測器（編碼器），通過檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，可執(zhí)行高分辨率、高響應(yīng)定位運行。
編碼器是檢測電動機轉(zhuǎn)速和位置的傳感器。
發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光線穿過切口圓盤上的位置檢測模式，由受光元件讀取。受光元件上集成有數(shù)十個光電晶體管。絕對位置檢測用模式因編碼器的旋轉(zhuǎn)角度不同而全部不同。
編碼器搭載CPU，對絕對位置檢測用模式進行分析。通過串行通信將該當前位置數(shù)據(jù)傳送到伺服驅(qū)動器。
電動機搭載編碼器，用于向驅(qū)動器反饋電動機軸的旋轉(zhuǎn)位置及轉(zhuǎn)速。
根據(jù)構(gòu)造的不同，可以分為絕對式編碼器與增量式編碼器兩類。
本公司的AC伺服電動機NX系列使用了20bit的絕對式編碼器，實現(xiàn)了在低速領(lǐng)域的低振動。
絕對式編碼器可檢測電動機旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的絕對位置，并輸出旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置。
通常，通電后先發(fā)送旋轉(zhuǎn)圈速信息至驅(qū)動器，再輸出當前位置信號。
增量式編碼器
用于檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向的編碼器。
對應(yīng)角度的變化，輸出相應(yīng)的脈沖信號。通常，直接發(fā)送檢測出的波形，因此停電時當前位置無法保存。
發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光線穿過切口圓盤上的位置檢測模式，由受光元件讀取。受光元件上集成有數(shù)十個光電晶體管。絕對位置檢測用模式因編碼器的旋轉(zhuǎn)角度不同而全部不同。
編碼器搭載CPU，對絕對位置檢測用模式進行分析。通過串行通信將該當前位置數(shù)據(jù)傳送到伺服驅(qū)動器。
編碼器的種類
絕對式編碼器電動機搭載編碼器，用于向驅(qū)動器反饋電動機軸的旋轉(zhuǎn)位置及轉(zhuǎn)速。
根據(jù)構(gòu)造的不同，可以分為絕對式編碼器與增量式編碼器兩類。
本公司的AC伺服電動機NX系列使用了20bit的絕對式編碼器，實現(xiàn)了在低速領(lǐng)域的低振動。
絕對式編碼器可檢測電動機旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的絕對位置，并輸出旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置。
通常，通電后先發(fā)送旋轉(zhuǎn)圈速信息至驅(qū)動器，再輸出當前位置信號。
增量式編碼器
用于檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向的編碼器。
對應(yīng)角度的變化，輸出相應(yīng)的脈沖信號。通常，直接發(fā)送檢測出的波形，因此停電時當前位置無法保存。
AC伺服電動機的控制配置圖
對來自外部的脈沖信號（脈沖序列輸入型時）和伺服電動機的編碼器檢測到的運轉(zhuǎn)量進行計數(shù)，將其差分（偏差）輸出到速度控制部。這個計數(shù)器被稱為偏差計數(shù)器。
電動機旋轉(zhuǎn)過程中，偏差計數(shù)器出現(xiàn)積存脈沖（＝位置偏差），將該積存脈沖控制為0。
通過定位環(huán)（偏差計數(shù)器）實現(xiàn)了保持當前位置的（伺服鎖定）功能。
電動機旋轉(zhuǎn)過程中，偏差計數(shù)器出現(xiàn)積存脈沖（＝位置偏差），將該積存脈沖控制為0。
通過定位環(huán)（偏差計數(shù)器）實現(xiàn)了保持當前位置的（伺服鎖定）功能。
AC伺服電動機由電動機和編碼器、以及驅(qū)動器3個要素構(gòu)成，驅(qū)動器的作用是對位置指令和編碼器的位置、速度信息進行比較，控制驅(qū)動電流。
AC伺服電動機時常會通過編碼器的位置、速度信息檢測電動機的狀態(tài)，因此，萬一電動機停止運行，也能夠向控制器側(cè)輸出警報信號，檢測出異常狀態(tài)。
AC伺服電動機必須根據(jù)機構(gòu)的剛性及負載條件來調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，但近年來采用了實時自動增益調(diào)整，這種調(diào)整變得非常簡單。
閉環(huán)控制與系統(tǒng)構(gòu)成示例
下圖為脈沖型驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機時的系統(tǒng)構(gòu)成示例。
電動機搭載旋轉(zhuǎn)檢測器（編碼器），向驅(qū)動器反饋電動機軸的旋轉(zhuǎn)位置／轉(zhuǎn)速。驅(qū)動器通過演算從控制器發(fā)出的脈沖信號（位置指令／速度指令）與反饋信號（當前位置／速度）的誤差，將此誤差控制為０，進行電動機旋轉(zhuǎn)的控制。是通過使用電動機、驅(qū)動器、編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制，可以進行高精度定位運行的電動機。
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相關(guān)產(chǎn)品
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αSTEP AZ系列的構(gòu)造與ABZO編碼器
電動機部分的構(gòu)造與步進電動機相同。作為最大的特征，在電動機的反輸出軸側(cè)安裝了新開發(fā)的ABZO編碼器，無需電池構(gòu)筑了機械式絕對系統(tǒng)。
對于ABZO編碼器，將以模擬時鐘作為舉例說明。
模擬時鐘根據(jù)秒針、分針、時針的位置測定當前時間。ABZO編碼器相當于搭載了4個相當于時鐘時針的齒輪，通過識別這4個齒輪的角度來檢測位置信息。
可根據(jù)作為基準的原點，利用電動機軸檢測±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）? 的絕對位置。
?安裝尺寸20mm、28mm為±450轉(zhuǎn)（900次旋轉(zhuǎn)）。
模擬時鐘根據(jù)秒針、分針、時針的位置測定當前時間。ABZO編碼器相當于搭載了4個相當于時鐘時針的齒輪，通過識別這4個齒輪的角度來檢測位置信息。
可根據(jù)作為基準的原點，利用電動機軸檢測±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）? 的絕對位置。
?安裝尺寸20mm、28mm為±450轉(zhuǎn)（900次旋轉(zhuǎn)）。
ABZO編碼器的位置檢測原理和構(gòu)造的介紹。
ABZO編碼器是通過在電動機軸上設(shè)置的磁石，并在其周圍設(shè)置帶有磁石的齒輪，依靠讀取磁場方向來檢測坐標。
下圖是在電動機軸上設(shè)置的磁石。磁石中心為2極磁石，外圈為多極。
讀取中心2極磁石的磁場可檢測出大致的朝向。同時讀取外圈多極磁場的相位組合，可精確算出位置坐標。
ABZO編碼器是通過在電動機軸上設(shè)置的磁石，并在其周圍設(shè)置帶有磁石的齒輪，依靠讀取磁場方向來檢測坐標。
下圖是在電動機軸上設(shè)置的磁石。磁石中心為2極磁石，外圈為多極。
讀取中心2極磁石的磁場可檢測出大致的朝向。同時讀取外圈多極磁場的相位組合，可精確算出位置坐標。
中心的電動機軸上設(shè)有1個齒輪（1st齒輪），與該齒輪相連的有2列齒輪。
第1列齒輪由二級齒輪構(gòu)成（1st/2nd 齒輪、2nd/3rd齒輪），第2列齒輪由一級齒輪構(gòu)成（1st/4th齒輪）。
以下是從初始狀態(tài)任意旋轉(zhuǎn)后計算坐標的原理。
初始狀態(tài)時，全部箭頭指向左邊。
初始狀態(tài)時，全部箭頭指向左邊。
任意旋轉(zhuǎn)后可見箭頭指向不同的方向。
因為相對的齒輪之間有齒數(shù)差，所以電動機軸每旋轉(zhuǎn)一周相連的齒輪會發(fā)生相位變化。
利用齒數(shù)比產(chǎn)生的相位差，以齒為單位檢測出齒輪相位，并根據(jù)相位的組合可算出多次旋轉(zhuǎn)后的坐標。
按照設(shè)計所有齒輪的相位在旋轉(zhuǎn)1800圈后回到初始相位。
因此，ABZO編碼器可檢測范圍是1800圈。
利用齒數(shù)比產(chǎn)生的相位差，以齒為單位檢測出齒輪相位，并根據(jù)相位的組合可算出多次旋轉(zhuǎn)后的坐標。
按照設(shè)計所有齒輪的相位在旋轉(zhuǎn)1800圈后回到初始相位。
因此，ABZO編碼器可檢測范圍是1800圈。
αSTEP AZ系列的驅(qū)動原理
下圖將對αSTEP的控制方式進行介紹，是一種將開環(huán)控制和閉環(huán)控制混合而成的控制方式。
通過偏差計數(shù)器的計算可得知脈沖序列信號的指令位置與實際的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的偏差量（延遲/過轉(zhuǎn)）。通過偏差計數(shù)器的計算結(jié)果判斷是否進入“過載領(lǐng)域”，以轉(zhuǎn)換開環(huán)模式/閉環(huán)模式來運行。通常情況下，以開環(huán)模式運行。過載時，以閉環(huán)模式運行。
編碼器會持續(xù)監(jiān)控位置并在位置偏差超過±1.8°時切換到閉環(huán)模式。
通常情況下，驅(qū)動步進電動機需要驅(qū)動器、控制器以及上位可編程控制器。由于αSTEP在電動機的反輸出軸側(cè)內(nèi)藏編碼器，因此通過編碼器信息反饋給驅(qū)動器，從轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置判斷過負載領(lǐng)域。在過載領(lǐng)域時，切換到閉環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，將定子的旋轉(zhuǎn)磁場控制在最佳位置。
此外，即使發(fā)生過載等異常情況，也可以啟動保護功能并輸出報警信號。
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通過偏差計數(shù)器的計算可得知脈沖序列信號的指令位置與實際的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的偏差量（延遲/過轉(zhuǎn)）。通過偏差計數(shù)器的計算結(jié)果判斷是否進入“過載領(lǐng)域”，以轉(zhuǎn)換開環(huán)模式/閉環(huán)模式來運行。通常情況下，以開環(huán)模式運行。過載時，以閉環(huán)模式運行。
| ●通常情況下為開環(huán)控制
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αSTEP AZ系列的系統(tǒng)構(gòu)成示例
下圖為脈沖型驅(qū)動器驅(qū)動αSTEP AZ系列時的系統(tǒng)構(gòu)成示例。通常情況下，驅(qū)動步進電動機需要驅(qū)動器、控制器以及上位可編程控制器。由于αSTEP在電動機的反輸出軸側(cè)內(nèi)藏編碼器，因此通過編碼器信息反饋給驅(qū)動器，從轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置判斷過負載領(lǐng)域。在過載領(lǐng)域時，切換到閉環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，將定子的旋轉(zhuǎn)磁場控制在最佳位置。
此外，即使發(fā)生過載等異常情況，也可以啟動保護功能并輸出報警信號。
相關(guān)產(chǎn)品
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注意：
本資料僅供參考。選購前請仔細確認設(shè)備需求和產(chǎn)品規(guī)格。
如需幫助，請洽詢本公司客戶咨詢中心（電話：400-820-6516）。
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