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^?，F(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(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)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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(jìn)角度一步一步運(yùn)行的。
可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，改變繞組的通電順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)需要使用專用的步進(jìn)電機(jī)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(hù)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(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，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(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式，如下：
（4）細(xì)分驅(qū)動，需要驅(qū)動器給出不同幅值的驅(qū)動信號。步進(jìn)電機(jī)有一些重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，如靜轉(zhuǎn)矩、起動頻率、運(yùn)行頻率等。一般來說步距角越小，電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩越大，則起動頻率和運(yùn)行頻率越高，所以運(yùn)行方式中強(qiáng)調(diào)了細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，該方式提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動力矩和分辨率，消除了電機(jī)的低頻振蕩。所以細(xì)分驅(qū)動器驅(qū)動性能優(yōu)與其他類型驅(qū)動器。伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，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(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類。
伺服電機(jī)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(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)一個角度，都會發(fā)出對應(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)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，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)矩脈動小，容量可以比較大。直流伺服電機(jī)采用梯形波控制，相對差一些。直流伺服電機(jī)中無刷伺服電機(jī)比有刷伺服電機(jī)要性能要好。伺服電機(jī)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(jī)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(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。有刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動器：電動機(jī)的工作原理和普通的直流電機(jī)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(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。無刷直流伺服電機(jī)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(jī)，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(jī)驅(qū)動器：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(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(jìn)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(jī)，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(shí)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(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(xì)分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)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(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；過載能力：步進(jìn)電機(jī)不具備過載能力，伺服電機(jī)有較強(qiáng)的過載能力；運(yùn)行性能：步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)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(jī)編碼器反饋信號進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(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合。首先來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年半年度報告》顯示報告期內(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，機(jī)電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級步伐不斷加快。杭州米格電機(jī)收入和利潤的快速增長，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，新能源汽車預(yù)計(jì)將進(jìn)入產(chǎn)銷旺季、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。運(yùn)動控制領(lǐng)域制造商鳴志電器在步進(jìn)電機(jī)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(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(jì)伺服控制市場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,正在開發(fā)下一代M3。收購的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)的市場都保持了上漲的勢態(tài)。但是關(guān)于電機(jī)市場，向來就是眾說紛云。因?yàn)闆]有專業(yè)的統(tǒng)計(jì)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(jī)密所在，目前為止的各類電機(jī)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(rèn)為根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用方向及市場新變化，特別是近年來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)用在未來的10到20年間，將是不斷強(qiáng)化之勢！同時，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，對于步進(jìn)電機(jī)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(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)的市場則在更多領(lǐng)域被證明其強(qiáng)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(kuò)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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