伺服電機(jī)控制能否代替步進(jìn)電機(jī)控制，交流伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別差異

　　伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)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(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)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(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

　　步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，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(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。

　　雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　在具體應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)終端負(fù)載穩(wěn)定、動(dòng)作簡(jiǎn)單、基本為低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，選用成本低且容易控制的步進(jìn)電機(jī)最為合適；但當(dāng)終端負(fù)載波動(dòng)范圍較大、動(dòng)作簡(jiǎn)單、基本為低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果選擇了步進(jìn)電機(jī)，則會(huì)面臨一系列煩惱，因?yàn)椴捎梅讲?qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)難以消除振動(dòng)和噪音，并會(huì)因?yàn)榱夭▌?dòng)而產(chǎn)生失步或過沖。實(shí)際上，當(dāng)終端負(fù)載波動(dòng)范圍較大時(shí)，即便基本為低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，也應(yīng)該選用伺服電機(jī)，因?yàn)榭紤]了功效提高因素、節(jié)能因素、控制精度提高因素、系統(tǒng)穩(wěn)定性增加等因素之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)選用價(jià)格較高的伺服電機(jī)反而提高了綜合成本。

　　用伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)時(shí)應(yīng)注意哪些問題呢？

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

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

　　3、因?yàn)樗欧姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速比步進(jìn)電機(jī)要高得多，最好增加減速裝置，讓伺服電機(jī)工作在接近額定轉(zhuǎn)速下， 這樣也可以選擇功率更小的電機(jī)，以降低成本。

　　當(dāng)前伺服電機(jī)趨向步進(jìn)化的具體表現(xiàn)：

　　1、小體積高功效：采用最新永磁材料及優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，使體積較小的電機(jī)也能產(chǎn)生很大的扭矩。同一型號(hào)電機(jī)與不同的驅(qū)動(dòng)器匹配時(shí)，最大輸出扭矩不同；相同體積電機(jī)采用不同繞組形式、不同磁極數(shù)時(shí)，輸出功率也不相同；

　　2、抗沖擊扭矩：最大扭矩能達(dá)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器上均可帶有溫度監(jiān)視器。

　　伺服電機(jī)控制是否可以替代步進(jìn)電機(jī)控制

　　1.步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)都是控制電機(jī)，主要用于精密定位控制用途。特別是伺服電機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)常用電機(jī)。一般使用控制器+驅(qū)動(dòng)器+伺服（步進(jìn)）電機(jī)+聯(lián)軸器+絲杠副+導(dǎo)軌不需要減速器的，因?yàn)樗欧筒竭M(jìn)速度根據(jù)脈沖頻率可以大范圍調(diào)節(jié)速度。

　　2.伺服電機(jī)是閉環(huán)控制，步進(jìn)一般開環(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(yùn)動(dòng)到10mm再到25mm停止返回。

　　4.二者都是特種電機(jī)，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(jī)是閉環(huán)控制（通過編碼器反饋等完成），即會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)定電機(jī)的速度；步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，輸入一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一固定的角度，但是不對(duì)速度進(jìn)行測(cè)定。

　　交流伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的主要區(qū)別是步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)（沒編碼器）控制，如果負(fù)載過大或有卡阻會(huì)丟步，伺服電機(jī)是閉環(huán)控制（有編碼器），不會(huì)出現(xiàn)丟步的情況，穩(wěn)定性和精度更高。

　　步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)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(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)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(jī)的步距角。

　　交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

　　二、低頻特性不同

　　步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。

　　交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

　　三、矩頻特性不同

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

　　四、過載能力不同

　　步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

　　五、運(yùn)行性能不同

　　步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

　　六、速度響應(yīng)性能不同

　　步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)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(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。