伺服電機控制能否代替步進(jìn)電機控制，交流伺服電機與步進(jìn)電機的區別差異

　　伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，且具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象，轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。

　　交流伺服電動(dòng)機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著(zhù)空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機是一種兩相的交流電動(dòng)機。 交流伺服電動(dòng)機使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機很快就會(huì )轉動(dòng)起來(lái)。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產(chǎn)生一個(gè)旋轉磁場(chǎng)，旋轉磁場(chǎng)的轉向決定了電機的轉向，當任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。

　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。

　　步進(jìn)電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅動(dòng)器就是為步進(jìn)電機分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。

　　雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。

　　伺服電機控制是否可以代替步進(jìn)電機控制

　　在具體應用場(chǎng)合，當終端負載穩定、動(dòng)作簡(jiǎn)單、基本為低速運轉時(shí)，選用成本低且容易控制的步進(jìn)電機最為合適；但當終端負載波動(dòng)范圍較大、動(dòng)作簡(jiǎn)單、基本為低速運轉時(shí)，如果選擇了步進(jìn)電機，則會(huì )面臨一系列煩惱，因為采用方波驅動(dòng)的步進(jìn)電機難以消除振動(dòng)和噪音，并會(huì )因為力矩波動(dòng)而產(chǎn)生失步或過(guò)沖。實(shí)際上，當終端負載波動(dòng)范圍較大時(shí)，即便基本為低速運轉狀態(tài)，也應該選用伺服電機，因為考慮了功效提高因素、節能因素、控制精度提高因素、系統穩定性增加等因素之后，會(huì )發(fā)現選用價(jià)格較高的伺服電機反而提高了綜合成本。

　　用伺服電機替代步進(jìn)電機時(shí)應注意哪些問(wèn)題呢？

　　1、為了保證控制系統改變不大，應選用數字式伺服系統，可仍采用原來(lái)的脈沖控制方式；

　　2、由于伺服電機的過(guò)載能力強，可以參照原步進(jìn)電機額定輸出扭矩的1/3來(lái)確定伺服電機的額定扭矩；

　　3、因為伺服電機的額定轉速比步進(jìn)電機要高得多，最好增加減速裝置，讓伺服電機工作在接近額定轉速下， 這樣也可以選擇功率更小的電機，以降低成本。

　　當前伺服電機趨向步進(jìn)化的具體表現：

　　1、小體積高功效：采用最新永磁材料及優(yōu)化電機設計，使體積較小的電機也能產(chǎn)生很大的扭矩。同一型號電機與不同的驅動(dòng)器匹配時(shí)，最大輸出扭矩不同；相同體積電機采用不同繞組形式、不同磁極數時(shí)，輸出功率也不相同；

　　2、抗沖擊扭矩：最大扭矩能達到額定扭矩的若干倍；

　　3、采用高性能的磁性材料，高磁能積；

　　4、電機和驅動(dòng)器上均可帶有溫度監視器。

　　伺服電機控制是否可以替代步進(jìn)電機控制

　　1.步進(jìn)電機、伺服電機都是控制電機，主要用于精密定位控制用途。特別是伺服電機，數控系統常用電機。一般使用控制器+驅動(dòng)器+伺服（步進(jìn)）電機+聯(lián)軸器+絲杠副+導軌不需要減速器的，因為伺服和步進(jìn)速度根據脈沖頻率可以大范圍調節速度。

　　2.伺服電機是閉環(huán)控制，步進(jìn)一般開(kāi)環(huán)控制。伺服精密，比步進(jìn)貴。

　　3.伺服，步進(jìn)都是用于定位使用情況下，比如，從原點(diǎn)以一定的速度運動(dòng)到10mm再到25mm停止返回。

　　4.二者都是特種電機，都能精確控制速度。但是二者控制速度的原理不同：伺服電機是閉環(huán)控制（通過(guò)編碼器反饋等完成），即會(huì )實(shí)時(shí)測定電機的速度；步進(jìn)電機是開(kāi)環(huán)控制，輸入一個(gè)脈沖步進(jìn)電機就會(huì )轉過(guò)一固定的角度，但是不對速度進(jìn)行測定。

　　交流伺服電機與步進(jìn)電機之間的區別

　　交流伺服電機與步進(jìn)電機的主要區別是步進(jìn)電機是開(kāi)環(huán)（沒(méi)編碼器）控制，如果負載過(guò)大或有卡阻會(huì )丟步，伺服電機是閉環(huán)控制（有編碼器），不會(huì )出現丟步的情況，穩定性和精度更高。

　　步進(jìn)電機是一種離散運動(dòng)的裝置，它和現代數字控制技術(shù)有著(zhù)本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內的數字控制系統中，步進(jìn)電機的應用十分廣泛。隨著(zhù)全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來(lái)越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢，運動(dòng)控制系統中大多采用步進(jìn)電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動(dòng)機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場(chǎng)合上存在著(zhù)較大的差異?，F就二者的使用性能作一比較。

　　一、控制精度不同

　　兩相混合式步進(jìn)電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機的步距角。

　　交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線(xiàn)編碼器的電機而言，由于驅動(dòng)器內部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當量的1/655。

　　二、低頻特性不同

　　步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象。振動(dòng)頻率與負載情況和驅動(dòng)器性能有關(guān)，一般認為振動(dòng)頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進(jìn)電機工作在低速時(shí)，一般應采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動(dòng)器上采用細分技術(shù)等。

　　交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時(shí)也不會(huì )出現振動(dòng)現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點(diǎn)，便于系統調整。

　　三、矩頻特性不同

　　步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)會(huì )急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以?xún)?，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

　　四、過(guò)載能力不同

　　步進(jìn)電機一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過(guò)載和轉矩過(guò)載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒(méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

　　五、運行性能不同

　　步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象，停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制，驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象，控制性能更為可靠。

　　六、速度響應性能不同

　　步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

　　綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來(lái)做執行電動(dòng)機。所以，在控制系統的設計過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。