伺服電機(jī)的控制方法有哪些？它與步進(jìn)電機(jī)的控制區(qū)別在哪？

步進(jìn)電機(jī)(Stepper Motor)和伺服電機(jī)(Servo Motor)是在工業(yè)領(lǐng)域中常見(jiàn)的兩種電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別主要體現(xiàn)在工作原理、控制方式、輸出轉(zhuǎn)矩特性以及控制系統(tǒng)復(fù)雜性等方面。通過(guò)理解它們的區(qū)別和特點(diǎn)，可以更好地選擇適合的電機(jī)類(lèi)型，并在相應(yīng)的應(yīng)用中發(fā)揮出最佳的性能和效果。

1.工作原理方面的區(qū)別

步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)依次激活每個(gè)電磁線圈的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)每個(gè)線圈時(shí)，電磁力將引起轉(zhuǎn)子對(duì)齒輪或傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每次激活電磁線圈，轉(zhuǎn)子就會(huì)以固定的角度移動(dòng)一步。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是離散的，可以精確控制每一步的位置。

相比之下，伺服電機(jī)是通過(guò)反饋控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制和定位。伺服電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)電機(jī)、編碼器和反饋控制器。編碼器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并將數(shù)據(jù)反饋給控制器。控制器根據(jù)所需位置和實(shí)際位置之間的差異來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩輸出，以確保精確的運(yùn)動(dòng)控制。

2.控制方式的區(qū)別

步進(jìn)電機(jī)通常使用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，控制器向電機(jī)發(fā)送指令，而電機(jī)按照指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。由于步進(jìn)電機(jī)的每一步是離散的，且任意兩步之間存在固定的角度，所以在正常條件下，不需要進(jìn)行位置反饋。這使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制方式也相對(duì)簡(jiǎn)單。

而伺服電機(jī)一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的位置反饋來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，并將該信息反饋給控制器。控制器與輸入的位置指令進(jìn)行比較，并根據(jù)差異對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠提供更高的控制精度和穩(wěn)定性，適用于需要高精度定位的應(yīng)用。

3.輸出轉(zhuǎn)矩的特性差異

步進(jìn)電機(jī)通常具有高轉(zhuǎn)矩輸出，尤其在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)于伺服電機(jī)。這使得步進(jìn)電機(jī)在需要承載較大負(fù)載或具有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)矩要求的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。然而，在高速運(yùn)行或加速/減速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)顯著下降，造成控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不佳。

伺服電機(jī)則具有較為平滑和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出特性。通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)可以在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。這使得伺服電機(jī)適用于需要高速運(yùn)行、高加速/減速性能以及精確定位的應(yīng)用。

4.控制系統(tǒng)復(fù)雜性的差異

由于步進(jìn)電機(jī)使用開(kāi)環(huán)控制，其控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需提供適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)基本的轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得步進(jìn)電機(jī)較為容易集成到各種控制系統(tǒng)中，成本相對(duì)較低。

伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，需要編碼器和反饋控制器等組件，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這使得伺服電機(jī)的集成要求更高，成本也相對(duì)較高。但它的高精度和穩(wěn)定性在某些應(yīng)用中是必不可少的。

區(qū)別1：不同的控制方法

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)控制旋轉(zhuǎn)角度。一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)步距角。伺服電機(jī)通過(guò)控制脈沖時(shí)間來(lái)控制旋轉(zhuǎn)角度。

差異2：所需的工作設(shè)備和工作流程不同

步進(jìn)電機(jī)所需的電源(所需電壓由驅(qū)動(dòng)器參數(shù)給出)、脈沖發(fā)生器(現(xiàn)在大多數(shù)使用平板)、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器(驅(qū)動(dòng)器設(shè)置步距角。如果步距角設(shè)置為0.45°，則給出脈沖，電機(jī)移動(dòng)0.45°);

其工作流程是步進(jìn)電機(jī)一般需要兩個(gè)脈沖：信號(hào)脈沖和方向脈沖。

伺服電機(jī)所需的電源是開(kāi)關(guān)(繼電器開(kāi)關(guān)或繼電器卡)和伺服電機(jī);其工作流程是電源連接開(kāi)關(guān)，然后是伺服電機(jī)。

差異3：不同的低頻特性

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易發(fā)生低頻振動(dòng)。振動(dòng)頻率與負(fù)載條件和駕駛員的性能有關(guān)。一般認(rèn)為，振動(dòng)頻率為電機(jī)空載跳躍頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理確定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)機(jī)器的正常運(yùn)行非常不利。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)低速工作時(shí)，通常應(yīng)使用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，例如在電機(jī)上添加阻尼器或在驅(qū)動(dòng)器上使用細(xì)分技術(shù)。交流伺服電機(jī)運(yùn)行非常平穩(wěn)，即使在低速下也不會(huì)振動(dòng)。

交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可以覆蓋機(jī)械的剛度不足，系統(tǒng)內(nèi)部提供頻率分析功能(FFT)，可以檢測(cè)機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

差異4：不同的扭矩頻率特性

步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著速度的增加而減小，并且在更高的速度下將急劇下降。因此，最大工作速度一般為300-600r/min。

交流伺服電機(jī)具有恒定轉(zhuǎn)矩輸出，即在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(一般為2000或3000 R/min)輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上輸出恒定功率。

差異5：不同的過(guò)載能力

步進(jìn)電機(jī)通常沒(méi)有過(guò)載能力。

交流伺服電機(jī)具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和扭矩過(guò)載的能力。最大扭矩是額定扭矩的3倍，可用于克服起動(dòng)時(shí)慣性負(fù)載的慣性力矩。

(由于步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有這樣的過(guò)載能力，為了克服這一慣性力矩，在選擇時(shí)通常需要選擇一個(gè)扭矩大的電機(jī)，而機(jī)器在正常運(yùn)行時(shí)不需要這么大的扭矩，這會(huì)導(dǎo)致扭矩浪費(fèi)。)

差異6：不同的速度響應(yīng)性能

步進(jìn)電機(jī)從靜態(tài)加速到工作速度(通常為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200-400ms。交流伺服系統(tǒng)具有良好的加速性能。以松下msma400w交流伺服電機(jī)為例，它從靜態(tài)加速到3000r/min的額定速度。它只需幾毫秒，可用于需要快速啟動(dòng)和停止的控制場(chǎng)合。

坦率地說(shuō)，磁極對(duì)的數(shù)量大，速度慢，控制角大，電源線引腳都是步進(jìn)電機(jī)，功率通常很低。

具有高精度和高速度，可用于速度、位置和扭矩控制。電源線為UVW三線，通常為伺服電機(jī)。極數(shù)通常不超過(guò)5，功率從幾十瓦到幾十千瓦。

讓我們來(lái)看看步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的概念。

伺服電機(jī)可以使控制速度和位置精度非常精確，并可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為扭矩和速度來(lái)驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

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1.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制精度不同。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為1.8°，三相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.2°。還有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)具有較小的步進(jìn)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。對(duì)于帶有標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的伺服電機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)器采用了四倍頻技術(shù)，脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。

對(duì)于絕大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，光電傳感器的機(jī)械傳輸精度和定位精度都不如步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)的物理精度高。沒(méi)有必要單方面追求電機(jī)的最高精度。

2.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩頻率特性不同。

步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，在較高轉(zhuǎn)速下會(huì)急劇下降，因此最大工作轉(zhuǎn)速一般為0-900 rpm。交流伺服電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，即在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(一般為1000~3000rpm)輸出額定轉(zhuǎn)矩。

3.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)具有不同的過(guò)載能力。

4.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)具有不同的操作性能。步進(jìn)電機(jī)的控制是開(kāi)環(huán)控制。如果起動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大，很容易失去階躍或阻塞轉(zhuǎn)子。如果速度太高，很容易超調(diào)。因此,為保證其控制精度,應(yīng)妥善處理提速和降速問(wèn)題。，

5.交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器可以直接采樣電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)。位置環(huán)和速度環(huán)在內(nèi)部形成。一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)階躍損失或超調(diào)，控制性能更可靠。伺服電機(jī)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)校正丟失的脈沖，并在堵轉(zhuǎn)的情況下及時(shí)反饋給控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但必須使用足夠的轉(zhuǎn)矩裕度以避免堵轉(zhuǎn)。

6.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度響應(yīng)性能不同。

7.步進(jìn)電機(jī)從靜態(tài)加速到工作速度需要100-2000毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能良好。從靜止加速到3000rpm的額定速度只需幾毫秒?？捎糜谛枰焖賳?dòng)和停止的控制場(chǎng)合。

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)分別為： 控制元件在工業(yè)傳動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)有什么區(qū)別呢?只有了解步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別，才能準(zhǔn)確判斷是使用步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)。

在越來(lái)越多的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，技術(shù)進(jìn)步正在改變步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)之間的性能成本比。

采用閉環(huán)技術(shù)后，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)為用戶提供了卓越的精度和效率，不僅可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的性能，而且具有步進(jìn)電機(jī)價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。成本較低的步進(jìn)電機(jī)正逐漸滲透到以高成本伺服電機(jī)為主的應(yīng)用領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的比較

根據(jù)傳統(tǒng)概念，伺服控制系統(tǒng)的性能在需要800 rpm以上速度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中更為優(yōu)異。步進(jìn)電機(jī)更適合低速、低至中等加速度和高保持扭矩的應(yīng)用。