伺服电机与步进电机

1、伺 服 电 机 和 步 进 电 机 的 区 别 一、伺服电机的资料1、交流伺服电机的工作原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动同时电机自带的编码器反馈信号 给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度,所以伺 服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。2、什么是伺服电机有儿种类型工作特点是什么答：伺服电动机乂称执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件，原理是把所 收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电 动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无白转现象，转速随着转矩的增 加而匀速下降。

2、3、问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。而直流伺服是梯形波, 但直流伺服比较简单，便宜。A、永磁交流伺服电动机的发展20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子 技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各 国着名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完 善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的 直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系 统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动，交流伺服驱动装置在传动领域的 发展日新月

3、异。B、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：（1）电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（2）定子绕组散热比较方便。（3）惯量小，易于提高系统的快速性。（4）适应于高速大力矩工作状态。（5）同功率下有较小的体积和重量。白从徳国MANNESMANN的ReXrOth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博 览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流 伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系 列产品，整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚

4、 不能完全满足运动控制的要求，近年來随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。到目前为 止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采 用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如徳国西门子、美国科 尔摩根和日本松下及安川等公司其中口本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用 于数控机（最高转速为IOOOrmin,力矩为），R系列适用于机器人（最高转 速为3000rInir1,力矩为）。之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世 纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形

5、波驱动、8051单片机 控制改为正弦波驱动、80C154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到 7%,并提髙了可靠性。这样，只用了儿年时间形成了八个系列（功率范围为 6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、 电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。二、步进电机的基本原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化 控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在 各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电机按设

6、定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）, 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速 度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机， 利用其没有积累误差（精度为100%）的待点，广泛应用于各种开环控制。现在比较 常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）.永磁式步进电机（PM）、混合式步 进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度或15度反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为度，但噪声和振 动都很大。反

7、应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组, 利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它乂分为两相和五相：两相 步进角一般为度而五相步进角一般为度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本 次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了 一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为 o （表示半步工作时为、 整步工作时为。），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电 机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电

8、机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电 机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为。/、三相的为 /、 五相的为 o o在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来 满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只 需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HoLDlNGToRQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的 参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就 成为了衡量步进电机最

9、重要的参数之一。比如，当人们说的步进电机，在没有特 殊说明的情况下是指保持转矩为的步进电机。DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT-TORQUE在国内 没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子是永磁 材料，所以它没有DETENTTORQUEO步进电机的一些特点：1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。2. 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料 退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不 同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130

10、度以上， 有的其至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组 的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电 机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降4. 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫 声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正 常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步 或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应该有加速过程，

11、即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显着的特点，在数字化制造时代 发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提 高，步进电机将会在更多的领域得到应用。三、伺服电机和步进电机的区别步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目 前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系 统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控 制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为 执行电动机。虽然两者在控

12、制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能 和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为、 ,五相混合式步进电机步距角一般为 和。也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，其步葩角为 :徳国百格拉公司（BERGERLAHR）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、 ,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距 角。4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

13、当量为360 /10000= o对于带17位编码器的电机 而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360 /131072=秒。是步距角为。的步进电机的脉冲当量的l655o2、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，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

14、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300600RPMO交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速 （一般为200ORPM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

15、， 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静止加速到工作转速（一般为每分钟儿百转）需要200400毫秒。 交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交

16、流伺服电机为例，从静止加 速到其额定转速300ORPM仅需儿毫秒，可用于要求快速启停的控制场合综上所述, 交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常 用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要 求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机.伺服电机与步进电机的性能比较作为一种开环控制的系统，和现代有着本质的联系。在目前国内的数字控制 系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺 服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，中 大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控

17、制方 式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相步距角一般为、 ,五相混合式步进电机步距角一般为、。也 有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如（SANYo DENKI）生产的二 相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为、 ,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保证。以三洋全数字式交流伺服电 机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频 技术，其当量为360。8000= o对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机

18、转一圈，即其脉冲当量为360 /131072= ,是步距角为。的 步进电机的脉冲当量的l655o二、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，或驱动 器上釆用细分技术等。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。三、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300600RPMo交流伺服电机