詳解步進電機和伺服電機聯繫和區別

詳解步進電機和伺服電機聯繫和區別

佚名 發表於 2017-12-06 17:19:01

步進電機

步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：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（即步進角）。您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；同時您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。

步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。混合式步進電機的應用最為廣泛200步進電機與伺服電機333332首次關注51黑電子論壇及「單片機教程網」官方微信獲得的論壇黑幣獎勵.
 

步進電機的基本參數：

1.電機固有步距角

　　它表示控制系統每發一個步進脈衝信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG 250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為『電機固有步距角』，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。

　　通常步進電機步距角β的一般計算按下式計算。

　　β=360°/（Z·m·K）

　　式中 β―步進電機的步距角；

　　Z―轉子齒數；

　　m―步進電動機的相數；

　　K―控制係數，是拍數與相數的比例係數

2.步進電機的相數

是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則『相數』將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。

3．保持轉矩（HOLDING TORQUE）

　　是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由於步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENTTORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由於反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。

 

步進電機主要特性

　　1. 步進電機必須加驅動才可以運轉， 驅動信號必須為脈衝信號，沒有脈衝的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當的脈衝信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈衝的頻率成正比。例如步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈衝完成。

　　2. 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。

　　3. 改變脈衝的順序，可以方便的改變轉動的方向。

　因此，目前印表機，繪圖儀，機器人，等設備都以步進電機為動力核心。

 

步進電機驅動器的特點

它是構成步進電機驅動器系統的專用集成電路：

　　A、脈衝分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

　　B、包含脈衝分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。

　　C、只含功率驅動（或包含電流控制、保護電路）的驅動器集成電路：如日本新電元工業公司的MTD1110（四相斬波驅動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅動）。

　　D、將脈衝分配器、功率驅動、電流控制和保護電路都包括在內的驅動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

     「細分驅動」概述： 將「電機固有步距角」細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流並不一次升到位，而斷電相電流並不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。

 

伺服馬達

伺服馬達內部結構

伺服馬達內部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低。其結構圖如下：

 

伺服馬達的工作原理

伺服馬達是一個典型閉環反饋系統，其原理可由下圖：

減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈衝信號比較，產生糾正脈衝，並驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈衝趨於為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。

如何控制伺服馬達

標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地、控制。電源線與地線用於提供內部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介於4V—6V之間，該電源應儘可能與處理系統的電源隔離（因為伺服馬達會產生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。

輸入一個周期性的正向脈衝信號，這個周期性脈衝信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間，而低電平時間應在5ms到20ms之間，並不很嚴格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈衝的正脈衝寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關係：

 

伺服馬達的電源引線

電源引線有三條，如圖中所示。伺服馬達三條線中紅色的線是控制線，接到控制晶片上。中間的是SERVO工作電源線，一般工作電源是5V。 第三條是地線。

伺服馬達的運動速度

伺服馬達的瞬時運動速度是由其內部的直流馬達和變速齒輪組的配合決定的，在恆定的電壓驅動下，其數值唯一。但其平均運動速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，我們可把動作幅度為90o的轉動細分為128個停頓點，通過控制每個停頓點的時間長短來實現0o—90o變化的平均速度。對於多數伺服馬達來說，速度的單位由「度數/秒」來決定。
使用伺服馬達的注意事項

除非你使用的是數碼式的伺服馬達，否則以上的伺服馬達輸出臂位置只是一個不準確的大約數。普通的模擬微型伺服馬達不是一個精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達產品，他們之間的差別也是非常大的，在同一脈衝驅動時，不同的伺服馬達存在±10o的偏差也是正常的。

正因上述的原因，不推薦使用小於1ms及大於2ms的脈衝作為驅動信號，實際上，伺服馬達的最初設計表也只是在±45o的範圍。而且，超出此範圍時，脈衝寬度轉動角度之間的線性關係也會變差。要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達輸出位置超過±90o的脈衝信號，否則會損壞伺服馬達的輸出限位機構或齒輪組等機械部件。

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