市场上有不同类型的电机,但伺服电机是最昂贵的电机之一,具有多种应用。那么,它们到底为什么贵呢?是什么让他们脱颖而出?它们值这个价吗?
伺服电机因其复杂的闭环控制机制而价格昂贵。这是通过使用编码器来实现的,该编码器跟踪电机轴的位置并运行反馈算法以精确地实现所需的方向、速度和旋转角度。
本文讨论为什么伺服电机比其他电机贵。它还解释了伺服电机的应用以及与直流电机相比的差异。
伺服电机:为什么这么贵?
伺服电机带驱动器
事实证明,伺服电机可提供更高的精度和更好的速度-扭矩特性,最适合 CNC加工。
这些电机与其他电机相比具有多种优点,这增加了其构造的复杂性,从而增加了成本。
闭环控制
开环和闭环系统
伺服电机只是一个带有反馈机制的直流电机,可以让用户精确控制位置、速度和旋转角度。
数控机床中使用的其他电机(例如步进电机)是开环设备,没有任何机制可以从刀具获取反馈。
因此,如果负载扭矩很大,步进电机可能会漏步,从而导致运行不准确。
速度-扭矩特性
步进电机和伺服电机的扭矩与转速
伺服电机提供适合 CNC 加工应用的速度-扭矩特性。
与步进电机不同,伺服电机的输出扭矩不会随着速度的增加而减小。即使在最高速度下,它们也能够保持几乎恒定的输出扭矩。
此功能允许伺服电机根据特定操作以不同的速度使用。
相比之下,步进电机最适合低速应用,因为它们的扭矩随着速度的降低而增加。
与其他电机相比,伺服电机从低转速到高转速的加速速度也更快。
当主轴在工作期间必须频繁改变方向时,这个因素会产生影响。如果加速缓慢,循环时间就会增加。
伺服电机的保持扭矩非常低,因此它们必须不断向控制器发送反馈信号,以调整轴的位置以保持其静止。
这会导致持续的振荡,如果控制器没有正确调整,这些振荡可能会变高并导致主轴发生不良运动。
因此,伺服电机中使用的控制器必须具有良好的质量,这会增加电机的成本。
需要编码器
如前所述,伺服电机使用编码器向控制器发送反馈,以保持精确的输出轴位置、旋转角度和速度。
编码器添加到伺服电机系统中,高质量的高分辨率编码器将为电机轴位置提供非常精确的控制。
结果,伺服电机的成本增加,并且与所使用的编码器的质量成正比。
其他电机如步进电机没有反馈机制,这降低了电机的成本,但可能会导致电机运行不准确。
负载控制
伺服电机消耗与输出负载成比例的电流。这需要一个传感器来检测系统上的负载并相应地提供电流,从而增加了步进电机的总体成本。
因此,在涉及低负载和大批量生产的应用中使用伺服电机不会给您带来任何成本优势。在这种情况下,使用步进电机是更好的选择。
维护
伺服电机由与变速箱耦合的输出轴以及编码器和控制器电路组成。
更多的部件使结构变得复杂,从而增加了一个或多个部件发生故障的可能性。
伺服电机的电刷一般在使用2000小时后需要更换。
与其他电机相比,这增加了伺服电机的维护成本。
伺服电机的应用
数控机床
RC8数控雕刻机采用大功率伺服电机
伺服电机是高端数控机床的重要组成部分。
主轴按照G代码指定的刀具路径在工作空间内移动。这是通过控制主轴在 X、Y 和 Z 轴上运动的伺服电机来实现的。
数控机床也使用伺服电机作为主轴电机。这在处理昂贵的工件时提供了非常高的精度,如果电机错过步数或旋转超出所需角度,这些工件可能会损坏。
机器人技术
有许多机器人应用需要精确的速度和旋转角度。步进电机和伺服电机通常用于此类应用。
一些机器人应用包括机器人焊接,其中机器人手臂需要在操作的每个点准确地驱动到所需的坐标,以进行合适的焊接。
增加机械臂中的关节数量增加了自由度,但也增加了复杂性,这需要伺服电机提供高精度。
其他应用包括用于远程导航、炸弹拆除等的机器人车辆。
太阳能跟踪
太阳能电池板是用于将太阳能转换为电能的装置。
产生的电能与入射到太阳能电池板上的阳光强度成正比。
当阳光垂直于太阳能电池板时,阳光的强度最大。
由于太阳不会全天保持在同一位置,因此太阳能电池板应该跟踪太阳的位置并跟随它以产生最大的电能输出。
这种太阳跟踪是在伺服电机的帮助下实现的。太阳能电池板的角度根据太阳的位置进行调整,当太阳从东向西移动时,伺服电机将太阳能电池板倾斜到太阳的方向。
工业应用
除 CNC 机床外,伺服电机还用于各种工业机械。
此类机器包括传送带。传送带可能需要在装配线上的不同点停止以进行特定操作。因此,传送带的运动需要精确。
金属成型机和折弯机也需要精确控制以实现操作的准确性。因此,这些机器使用高扭矩伺服电机来实现这种精度。
印刷机需要电机能够在每个周期中在特定点准确地启动和停止打印头,并移动纸张以打印多行文本和图形。
伺服电机和直流电机的区别
伺服与直流电机
伺服与直流电机
范围 伺服电机 直流电机
供应类型 交流或直流 直流
终端数量 3 2
控制 闭环 开环
成分 直流电机、齿轮系统、编码器、控制电路等 直流电机是一个单一部件,没有外部零件
伺服电机与直流电机的区别
伺服电机和直流电机可以根据各种因素来区分。
直流电机是开环系统,这意味着它们没有任何纠错反馈机制。
您给直流电机通电,它将开始运行,但您将无法控制旋转角度或检测轴的位置。
另一方面,伺服电机采用复杂的电子设备以及传感器和编码器来精确测量轴的位置并控制旋转角度。
传感器向控制器发送反馈信号进行误差测量,并相应地调整输出轴的位置或旋转角度。
顾名思义,直流电机在直流电下工作,因此它们有两根电线连接到电源。
伺服电机有交流和直流版本。交流伺服电机用于工业应用,而直流伺服电机更适合小型 DIY 项目。
伺服电机具有三根电线设置,两根用于供电,一根用于控制。控制线是输入控制器的输出轴位置和速度的反馈。
最后的想法
当用户需要精确控制电机轴的旋转角度和速度时,可以使用伺服电机。
然而,这些额外的优势伴随着价格的上涨。
因此,伺服电机并不能在所有地方得到应用。您必须考虑电机的初始成本和运行成本,看看它是否适合您的要求。
但是,如果您正在处理昂贵的工件,您可能需要考虑具有伺服电机驱动器的系统,这样在出现任何故障时就不会损坏工件。
常见问题 (FAQ)
伺服电机是直流电机吗?
从技术上讲,伺服电机并不是直流电机,但是,直流伺服电机的原动机是简单的直流电机。伺服电机具有一些附加组件,例如齿轮系统、编码器和控制器。这些部件使得伺服电机能够精确控制输出轴的速度和旋转角度,这是直流电机无法实现的。
开环系统和闭环系统有什么区别?
开环系统是输出仅取决于输入的系统。没有反馈,因此如果输出变得不理想,则没有误差测量来纠正输出。另一方面,闭环系统具有来自输出的反馈来检测误差并相应地调整系统的输出。
伺服电机与步进电机有何不同?
伺服电机在闭环系统上运行,该系统从输出获取反馈以精确控制速度和旋转角度。步进电机是一种开环系统,也可以精确控制旋转的速度和角度,但通过步进或微步进来控制轴的旋转。步进电机的步数越多,旋转角度的分辨率越高。伺服电机能够更好地控制输出参数;然而,由于用于反馈控制的附加组件,它们往往比类似额定值的步进电机更昂贵。