步进与伺服电机的基础知识.docx

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，即驱动器，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流。步进电机虽然由直流电流供电，但是不能理解为直流电机，直流电机是将直流电能转换为机械能的动力电机，而步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机。闭环步进电机：除了开环步进电机，还有在电机尾部添加了编码器，可以实现闭环控制的步进电机。步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。没有失步现象的伺服系统。闭环步进电动机的优势：1.高速响应，相对于服电机，闭环步进对定位指令具有非常强的跟随性，因此定位时间非常短。在频繁启停的应用中，可显著缩短定位时间。2.比普通伺服产生更大的扭矩。弥补普通步进系统失步、低速振动不足。3.在100%负载情况下也可可产生高扭矩，无失步运行，无需像普通步进系统一样考虑扭矩损失等问题。4.应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。5.步进电机停止时会完全静止，无普通伺服的微振动现象。需要低成本、高精度定位的场合，可取代通用伺服系统的应用。伺服电机也叫执行电机，可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。与步进电机原理结构不同的是，伺服电机由于把控制电路放到了电机之外，里面的电机部分就是标准的直流电机或交流感应电机。伺服电机靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度。电机每旋转一个角度，编码器都会发出对应数量的反馈脉冲，反馈脉冲和伺服驱动器接收的脉冲形成闭环控制，这样伺服驱动器就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。伺服电机的控制：一般工业用的伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环，分别能反馈电机运行的角加速度、角速度和旋转位置。芯片通过三者的反馈控制电机各相的驱动电流，实现电机的速度和位置都准确按照预定运行。交流伺服具备额定转速下力矩恒定的特点，常见200W,400W低中惯量交流伺服额定转速为3000rpm，最高转速5000rpm，转速高。力矩与电流成正比，可以工作在力矩模式，例如锁螺丝，压端子等需要恒定力矩的场合。交流伺服工作噪音振动极小，发热低。同体积下电机惯量转子惯量小，400W伺服惯量仅相当于57基座2NM步进电机的转子惯量。伺服具备短时间过载能力，选型时需考虑加减速时电机过载倍数。伺服采用闭环控制，同闭环步进一样存在位置跟踪误差。伺服需要调试才能使用。步进和伺服电机的原始扭矩不够用的情况下，往往需要配合减速机进行工作，可以使用减速齿轮组或行星减速器。舵机（servo）国人起的俗称,是一类直流伺服电机，最先是用于小型航模，现在用于小型机器人关节。从结构来分析，舵机包括一个小型直流电机，加上传感器、控制芯片、减速齿轮组，装进一体化外壳。能够通过输入信号（一般是PWM信号，也有的是数字信号）控制旋转角度。由于是简化版，原本伺服电机的三环控制被简化成了一环，即只检测位置环。廉价的方案就是一个电位器，通过电阻来检测，高级的方案则会用到霍尔传感器，或者光栅编码器。一般舵机价格低廉、结构紧凑，但精度很低，位置镇定能力较差，能够满足很多低端需求。步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000r/min，最佳工作区间是150500r/min，（闭环步进可达1500）。2相步进电机在6070r/min容易出现低速共振现象，产生振动和噪音，需要通过改变减速比、增加细分数、添加磁性阻尼器等方式避免。细分精度注意事项，当细分等级大于4后，步距角的精度不能保证，精度要求高，最好换用相数更多的步进电机或闭环步进、伺服电机。（开环）步进电机与伺服电机的7不同：A控制精度伺服电机控制精度可以根据编码器设置，精度更高；B低频特性步进电机低频容易振动，伺服电机不会；C矩频特性步进电机随转速提高力矩变小，所以其最高工作转速一般在1000r/min，伺服电机在额定转速内(一般3000r/min)内都能输出额定力矩，在额定转速以上为恒功率输出，最高转速可达5000 r/min；D过载能力步进电机不能过载，伺服电机最大力矩可过载3倍；E运行性能步进电机为开环控制，伺服电机时闭环控制；F速度响应步进电机启动时间0.150.5s，伺服电机0.050.1，最快可0.01s达到 额定3000r/min；G效率指标步进电机效率约60%，伺服电机约80%；闭环步进电机根据负载大小自动调节绕组电流大小，发热和振动小于开环步进，有编码器反馈所以精度高于普通步进电机，电机响应比开环步进慢比伺服电机快，运行过程中存在位置误差，误差会在指令停止后数毫秒逐渐降低。高速力矩比开环步进大，常见应用在0-1500rpm场合。可见：闭环步进电机具有低成本、高效、无抖动、无停止微振动、高刚性、无整定、高速、高动态响应等特点，是替代高成本伺服系统、低端开环步进系统等性价比高。实际使用中会发现：伺服电机贵，贵出很多，所以同步电机应用更广泛，特别是在定位精度要求不是很高的同步带传动、平带输送机等场合经常使用步进电机。