数控机床及编程：步进电机与伺服电机的区别

1、步进电机与伺服电机的区别1、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6 、 1.8 ，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、 0.36 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09 ；德国百格拉公司（ BERGER LAHR ）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8 、 0.9 、 0.72 、 0.36 、 0.18 、 0.09 、 0.072 、 0.036 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准

2、 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036 。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 2 17 =131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655 。 2、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器

3、，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ FFT ），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600RPM 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM ）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具

4、有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6、速度响应性能不同 步进电机从

5、静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200 400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。为了提高数控机床的性能，对机床用进给伺服系统提出了很高的要求。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下四个方面。 （1）高精度 为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如5m、1m等；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动

6、态速降尽可能小。 （2）快响应 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小。 （3）宽调速范围 它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在024m/min下都能正常工作。 （4）低速大转矩 根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，既要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。 为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件伺服电动机也提出了相应的要求，它们是： 1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，

7、特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。 2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。 3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。 4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。机床进给伺服系统，一般是上位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。但在习惯上，通常是将位置控制部分与数控装置做在一起，而且也不包括机械传动机构。因此，习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分。而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：开环

8、、闭环、半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。它的结构框图如图1914所示。 图4-2 半闭环伺服系统机床进给伺服系统在经历了开环的步进电动机系统、直流伺服系统两个分阶段之后，已进入了交流伺服系统阶段。这是由于交流电动机具有构造简单、坚固耐用的特点。随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上和经济上都难以实现的交流电动机控制问题都已迎刃而解，从而使交流伺服系统取得了主导地位。 目前，在中小功率范围内，高性能的交

9、流伺服系统的交流电动机主要采用异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。所以，在机床进给伺服系统中，多用永磁同步电动机。 永磁同步电动机按其内部结构、工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同又可分为两种：矩形波电流驱动的永磁电动机，即无刷直流电动机（简称BDCM）和正弦波电流驱动的永磁电动机（简称PMSM）。其中，BDCM的功率密度高，系统成本较低，但低速转矩脉动大，高速时矩形波电流发生畸变，并引起转矩下降，所以一般用于低速、性能要求不高的场合；而PMSM则更多地用于要求

10、较高的速度或位置伺服的场合。永磁同步电动机所采用的永磁材料，目前已从铁氧体发展到具有高居里点的钐钴（SmCo）和高矫顽力、高磁能积、相对价格较低的钕铁硼（NdFeB）。 交流伺服单元又有模拟式和数字式之分。早期的伺服单元全是模拟式，但在目前，国外大都采用数字模拟混合或全数字式，而国内尚处于实验室阶段，还没有做到真正商品化。 模拟式和数字式的伺服单元各有优缺点：模拟式伺服单元一般工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽的调速范围。其缺点是难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大，不易调试，还存在着零点漂移等问题。数字式伺服单元的优点是用软件编程，易于实现复杂的

11、算法，而且柔性好，有时几种控制方法之间的改变只需改变软件即可实现，而不需做硬件上的改动，硬件电路一般比较简单，可以设计得相当紧凑。由于参数的设定和调节不必通过调节电位器来进行，所以实现的重复性好，更易批量生产。但由于高性能的电机控制算法计算量大，单片微处理机的执行速度还不够快，以及低成本的模数（AD）转换时间较长，因此，实用的全数字化伺服单元的电流环响应频带一般很难做到足够宽，即使用高速数字信号处理器（DSP），或采用双CPU结构以提高计算速度，使系统的电流环采样周期达到100s左右，也无法与模拟式系统相比，当然随着微电子技术的发展以及控制算法的改进，这些缺点是可以克服的。而介于这两者之间的数

12、模混合系统，其电流环（内环）用硬件电路实现，而速度环、位置环（外环）用软件实现，同时微处理器还可用来实现系统的运行监控、接收数字模拟给定信号以及与外部设备进行通信联络等功能。 图1915示出了一种简单实用的数字化无刷直流电动机的控制方案。无刷直流电动机的电磁转矩表达式如下： 式中 p极对数； N总导体数； 每极磁通量； Id供电电流。 由于p、N、均为常数，因此电磁转矩与逆变器供电电流Id成正比。由此可见，无刷直流电动机的控制几乎与直流电动机一样简单。 图1915中的CPU接受速度给定指令，并检测电动机的转速，完成速度调节功能，产生的电流给定指令经DA输出；逆变器的直流母线电流用霍尔电流传感器

13、引入作为电流反馈信号，经过电流调节器得到脉宽调制信号（PWM）；根据转向、运行封锁及磁极位置等信号形成的逆变器开关矢量表存放在EPROM中。通过选通EPROM的地址线，相应的开关矢量输出到数据线上，经驱动放大后即可得到六路驱动信号去控制逆变器。框图中的逆变器是将直流电变换为交流电的部件，应用最为广泛的是脉宽调制（PWM）型逆变器，它实际上是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在逆变器的输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。按其形成方式，它大致可分为正弦脉冲宽度调制（SPWM）、自适应电流控制PWM、相移PWM及谐波抑制原理的PWM等四大类，其中SPWM是应用最为广泛的一种。 上述控制方案的

14、线路十分简单，与三相电流分别调节的控制方案（需三个霍尔电流传感器和三个电流调节器）不同，它只需一个电流传感器和一个电流调节器就能有效地实现电流闭环控制，不仅硬件实现十分方便，成本低，还可大大减少逆变器的开关次数。 目前，国内正在研究开发的全数字化永磁同步电动机控制方法，大都基于空间电压矢量控制方法。图1916示出了一种全数字永磁同步电动机控制系统框图。图1916 全数字永磁同步电动机控制系统框图它们的关键在于要根据电动机定子电压矢量的位置或电流矢量的偏差值来选择逆变器施加的电压矢量，其中零矢量和非零矢量的作用时间的计算是这些控制方法的关键。而且，准确地计算电压矢量的作用时间与缩短电流环的采样周

15、期，对提高控制系统的性能而言又是一对矛盾。要准确地计算矢量的作用时间需要复杂的计算，而电流环的采样周期将随计算时间的增加而增加；反之，如追求缩短采样周期，而粗略地计算矢量的作用时间，同样会使系统性能下降。以上提到的三类检测部件我国均有生产，但精度较低，影响了我国数控机床的性能，这是今后发展的方向。国外的有关最新动态参见19.3.3节。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（Full Closed AC Servo）、直线电机驱动技术（Linear Motor D

16、riving）、可编程序计算机控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和运动控制卡（Motion Controlling Board）等几项具有代表性的新技术。2 全闭环交流伺服驱动技术在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统

17、，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机

18、床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 ， 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成

19、，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。 4 可编程计算机控制器技术自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的顺序控制的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟

20、扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的控制速度依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。

21、因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。5 运动控制卡运动控制卡是一种基于工业PC机 、 用于各种运动控

22、制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 ， 运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 （ 例如键盘和鼠标的

23、管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车

24、部件性能试验台等多种自动化设备上。6 结束语计算机技术和微电子技术的快速发展，推动着工业运动控制技术不断进步，出现了诸如全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等许多先进的实用技术，为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高。（二）感应子式步进电机1、特点： 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中

25、比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。4、步进电机的静态指标术语1)相数：定子磁极对数。常用m表示。2

26、)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。4)定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5)静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动