步進(jìn)電機(jī)VS伺服電機(jī)的工作原理-詳細(xì)版

更新時(shí)間：2023-03-06

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步進(jìn)電機(jī)VS伺服電機(jī)的工作原理-詳細(xì)版

作為電機(jī)市場(chǎng)的兩大，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)一直都在各自的適用領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，也因?yàn)槠涓饔写呵锒恢北挥懻摫容^。現(xiàn)在就讓我們從原理和驅(qū)動(dòng)器原理入手，講解下伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間究竟有哪些區(qū)別。

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)原理

步進(jìn)電機(jī)作為控制用的特種電機(jī)，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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)是以固定的步進(jìn)角度一步一步運(yùn)行的。

可以通過(guò)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(guò)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，改變繞組的通電順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)需要使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。功率驅(qū)動(dòng)單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進(jìn)電機(jī)直接耦合，屬于步進(jìn)電機(jī)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(hào)，對(duì)應(yīng)的脈沖發(fā)生控制單元對(duì)應(yīng)生成一組相應(yīng)相數(shù)的脈沖，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)單元后送到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在對(duì)應(yīng)方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。驅(qū)動(dòng)器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式，如下：

（1）m相單m拍運(yùn)行；

（2）m相雙m拍運(yùn)行；

（3）m相單、雙m拍運(yùn)行；

（4）細(xì)分驅(qū)動(dòng)，需要驅(qū)動(dòng)器給出不同幅值的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)有一些重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，如靜轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)頻率、運(yùn)行頻率等。一般來(lái)說(shuō)步距角越小，電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩越大，則起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率越高，所以運(yùn)行方式中強(qiáng)調(diào)了細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該方式提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和分辨率，消除了電機(jī)的低頻振蕩。所以細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)與其他類型驅(qū)動(dòng)器。

伺服電機(jī)

伺服電機(jī)原理

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，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。

伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了閉環(huán)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

在性能上比較，交流伺服電機(jī)要優(yōu)于直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)采用正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，容量可以比較大。直流伺服電機(jī)采用梯形波控制，相對(duì)差一些。直流伺服電機(jī)中無(wú)刷伺服電機(jī)比有刷伺服電機(jī)要性能要好。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

有刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)機(jī)的工作原理和普通的直流電機(jī)相同，驅(qū)動(dòng)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(jī)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(wú)刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：供電電源為直流，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電，供給電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制原理同上。

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊，控制板通過(guò)相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。

功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)，簡(jiǎn)單的說(shuō)是AC-DC-AC的變流過(guò)程。

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。

性能比較

控制精度：步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機(jī)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(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時(shí)一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，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；

矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，高速時(shí)會(huì)急劇下降，伺服電機(jī)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(guò)載能力：步進(jìn)電機(jī)不具備過(guò)載能力，伺服電機(jī)有較強(qiáng)的過(guò)載能力；

運(yùn)行性能：步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，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(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠；

速度響應(yīng)性能：步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)合。

市場(chǎng)狀況

首先來(lái)看看了部分公司伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展情況。

江西特種電機(jī)股份有限公司《2017年半年度報(bào)告》顯示報(bào)告期內(nèi)，該改公司伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)收入實(shí)現(xiàn)50%以上的增長(zhǎng)，機(jī)電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐不斷加快。杭州米格電機(jī)收入和利潤(rùn)的快速增長(zhǎng)，伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)逐步擴(kuò)大，機(jī)電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型步伐加快。下半年，新能源汽車(chē)預(yù)計(jì)將進(jìn)入產(chǎn)銷(xiāo)旺季、重大合同逐步交付，伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)保持快速增長(zhǎng)。

運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域制造商鳴志電器在步進(jìn)電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模未來(lái)將保持10%左右的增速；公司掌握控制電機(jī)的核心技術(shù)，獲得了0.9o步進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù),未來(lái)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(chǎng)。同時(shí)，該公司在伺服系統(tǒng)市場(chǎng)空間廣闊,伺服技術(shù)且已初具規(guī)模。預(yù)計(jì)伺服控制市場(chǎng)2020年將1,000億，CAGR超15%。公司步進(jìn)電機(jī)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(kāi)發(fā)下一代M3。收購(gòu)的AMP掌握先進(jìn)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(yíng)收2.06億元,同比增43%,收入占比達(dá)14%。

就目前而言，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的市場(chǎng)都保持了上漲的勢(shì)態(tài)。但是關(guān)于電機(jī)市場(chǎng)，向來(lái)就是眾說(shuō)紛云。因?yàn)闆](méi)有專業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做為支撐，亦或是其中各個(gè)生產(chǎn)廠家的商業(yè)機(jī)密所在，目前為止的各類電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的分析，基本上處于定性和定量判斷的中間。

有人認(rèn)為根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用方向及市場(chǎng)新變化，特別是近年來(lái)PM步進(jìn)電機(jī)在家電和智能設(shè)備領(lǐng)域的大量應(yīng)用證明，步進(jìn)電機(jī)在小體積智能化設(shè)備中的應(yīng)用在未來(lái)的10到20年間，將是不斷強(qiáng)化之勢(shì)！同時(shí)，從人性化的角度進(jìn)行考量，大量的便利人類的智能小設(shè)備中，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的需求也呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。

從理論上來(lái)說(shuō)，隨著編碼器成本的降低及軟件控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，伺服電機(jī)在某些領(lǐng)域?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的替代是無(wú)可置疑的，然而，隨著新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，相反步進(jìn)電機(jī)的市場(chǎng)則在更多領(lǐng)域被證明其強(qiáng)大的生命力的性價(jià)比，故而其市場(chǎng)的規(guī)模，在未來(lái)10-20年間擴(kuò)張為當(dāng)前規(guī)模的兩到三倍將不會(huì)只是猜測(cè)！