伺服電機控制能否代替步進電機控制,交流伺服電機與步進電機的區別...

　　伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，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控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，並能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367382.htm

　　交流伺服電動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，交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恆定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓後，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發生改變，電機的方向也發生改變。

　　

　　步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，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、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為「步距角」，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

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

　　雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機並不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈衝信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

　　

　　伺服電機控制是否可以代替步進電機控制

　　在具體應用場合，當終端負載穩定、動作簡單、基本為低速運轉時，選用成本低且容易控制的步進電機最為合適；但當終端負載波動範圍較大、動作簡單、基本為低速運轉時，如果選擇了步進電機，則會面臨一系列煩惱，因為採用方波驅動的步進電機難以消除振動和噪音，並會因為力矩波動而產生失步或過衝。實際上，當終端負載波動範圍較大時，即便基本為低速運轉狀態，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後，會發現選用價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電機時應注意哪些問題呢？

　　1、為了保證控制系統改變不大，應選用數字式伺服系統，可仍採用原來的脈衝控制方式；

　　2、由於伺服電機的過載能力強，可以參照原步進電機額定輸出扭矩的1/3來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化的具體表現：

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

　　2、抗衝擊扭矩：最大扭矩能達到額定扭矩的若干倍；

　　3、採用高性能的磁性材料，高磁能積；

　　4、電機和驅動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電機控制

　　1.步進電機、伺服電機都是控制電機，主要用於精密定位控制用途。特別是伺服電機，數控系統常用電機。一般使用控制器+驅動器+伺服（步進）電機+聯軸器+絲槓副+導軌不需要減速器的，因為伺服和步進速度根據脈衝頻率可以大範圍調節速度。

　　2.伺服電機是閉環控制，步進一般開環控制。伺服精密，比步進貴。

　　3.伺服，步進都是用於定位使用情況下，比如，從原點以一定的速度運動到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：伺服電機是閉環控制（通過編碼器反饋等完成），即會實時測定電機的速度；步進電機是開環控制，輸入一個脈衝步進電機就會轉過一固定的角度，但是不對速度進行測定。

　　

　　交流伺服電機與步進電機之間的區別

　　交流伺服電機與步進電機的主要區別是步進電機是開環（沒編碼器）控制，如果負載過大或有卡阻會丟步，伺服電機是閉環控制（有編碼器），不會出現丟步的情況，穩定性和精度更高。

　　步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯繫。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈衝串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。

　　一、控制精度不同

　　兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用於慢走絲工具機的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為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電機的步距角。

　　交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈衝當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈衝電機轉一圈，即其脈衝當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。

　　二、低頻特性不同

　　步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。

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

　　三、矩頻特性不同

　　步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。

　　四、過載能力不同

　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時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麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

　　五、運行性能不同

　　步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過衝的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行採樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過衝的現象，控制性能更為可靠。

　　六、速度響應性能不同

　　步進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，可用於要求快速啟停的控制場合。

　　綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優於步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過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。