步進電機VS伺服電機的工作原理-詳細版
作為電機市場的兩大，伺服電機和步進電機一直都在各自的適用領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，也因為其各有春秋而一直被討論比較。現(xiàn)在就讓我們從原理和驅(qū)動器原理入手，講解下伺服電機與步進電機之間究竟有哪些區(qū)別。
步進電機
步進電機作為控制用的特種電機，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角")，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進角度一步一步運行的。
可以通過控制脈沖個數(shù)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沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的，改變繞組的通電順序，電機就會反轉(zhuǎn)。
步進電機需要使用專用的步進電機驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。功率驅(qū)動單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進電機直接耦合，屬于步進電機與微控制器的功率接口。
控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應(yīng)的脈沖發(fā)生控制單元對應(yīng)生成一組相應(yīng)相數(shù)的脈沖，經(jīng)過功率驅(qū)動單元后送到步進電機，步進電機在對應(yīng)方向上轉(zhuǎn)過一個步距角。驅(qū)動器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進電機運行方式，如下：
（4）細分驅(qū)動，需要驅(qū)動器給出不同幅值的驅(qū)動信號。步進電機有一些重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，如靜轉(zhuǎn)矩、起動頻率、運行頻率等。一般來說步距角越小，電機靜轉(zhuǎn)矩越大，則起動頻率和運行頻率越高，所以運行方式中強調(diào)了細分驅(qū)動技術(shù)，該方式提高了步進電機的轉(zhuǎn)動力矩和分辨率，消除了電機的低頻振蕩。所以細分驅(qū)動器驅(qū)動性能優(yōu)與其他類型驅(qū)動器。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)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。
伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了閉環(huán)，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位。在性能上比較，交流伺服電機要優(yōu)于直流伺服電機，交流伺服電機采用正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小，容量可以比較大。直流伺服電機采用梯形波控制，相對差一些。直流伺服電機中無刷伺服電機比有刷伺服電機要性能要好。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。有刷直流伺服電機驅(qū)動器：電動機的工作原理和普通的直流電機相同，驅(qū)動器為三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)的輸出控制電機的電樞電壓，電流環(huán)的輸入為速度環(huán)PID的輸出，速度環(huán)的輸入為位置環(huán)的PID輸出，位置環(huán)的輸入即是給定輸入。無刷直流伺服電機驅(qū)動器：供電電源為直流，經(jīng)過內(nèi)部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電，供給電動機，驅(qū)動器同樣采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），驅(qū)動控制原理同上。交流伺服電機驅(qū)動器：大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊，控制板通過相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機，簡單的說是AC-DC-AC的變流過程。控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。控制精度：步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高；低頻特性：步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；矩頻特性：步進電機輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，高速時會急劇下降，伺服電機在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速上為恒功率輸出；過載能力：步進電機不具備過載能力，伺服電機有較強的過載能力；運行性能：步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠；速度響應(yīng)性能：步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。首先來看看了部分公司伺服電機與步進電機的發(fā)展情況。江西特種電機股份有限公司《2017年半年度報告》顯示報告期內(nèi)，該改公司伺服電機、步進電機收入實現(xiàn)50%以上的增長，機電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級步伐不斷加快。杭州米格電機收入和利潤的快速增長，伺服電機及步進電機逐步擴大，機電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型步伐加快。下半年，新能源汽車預(yù)計將進入產(chǎn)銷旺季、重大合同逐步交付，伺服電機、步進電機保持快速增長。運動控制領(lǐng)域制造商鳴志電器在步進電機行業(yè)市場規(guī)模未來將保持10%左右的增速；公司掌握控制電機的核心技術(shù)，獲得了0.9o步進電機關(guān)鍵技術(shù),未來將快速拓展醫(yī)療設(shè)備、安防監(jiān)控、航空航天、新能源等市場。同時，該公司在伺服系統(tǒng)市場空間廣闊,伺服技術(shù)且已初具規(guī)模。預(yù)計伺服控制市場2020年將1,000億，CAGR超15%。公司步進電機已具備類伺服特性,并逐步往集成控制方向發(fā)展。目前M2交流伺服已成熟,正在開發(fā)下一代M3。收購的AMP掌握先進伺服技術(shù),內(nèi)部整合后伺服業(yè)務(wù)正協(xié)同發(fā)展。2016年伺服業(yè)務(wù)營收2.06億元,同比增43%,收入占比達14%。就目前而言，伺服電機和步進電機的市場都保持了上漲的勢態(tài)。但是關(guān)于電機市場，向來就是眾說紛云。因為沒有專業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)做為支撐，亦或是其中各個生產(chǎn)廠家的商業(yè)機密所在，目前為止的各類電機市場規(guī)模的分析，基本上處于定性和定量判斷的中間。有人認為根據(jù)步進電機的應(yīng)用方向及市場新變化，特別是近年來PM步進電機在家電和智能設(shè)備領(lǐng)域的大量應(yīng)用證明，步進電機在小體積智能化設(shè)備中的應(yīng)用在未來的10到20年間，將是不斷強化之勢！同時，從人性化的角度進行考量，大量的便利人類的智能小設(shè)備中，對于步進電機的需求也呈現(xiàn)不斷上升趨勢。從理論上來說，隨著編碼器成本的降低及軟件控制技術(shù)的不斷進步，伺服電機在某些領(lǐng)域?qū)Σ竭M電機的替代是無可置疑的，然而，隨著新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，相反步進電機的市場則在更多領(lǐng)域被證明其強大的生命力的性價比，故而其市場的規(guī)模，在未來10-20年間擴張為當(dāng)前規(guī)模的兩到三倍將不會只是猜測！
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更新時間：2023-03-06
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