表一：步進(jìn)、閉環(huán)、伺服產(chǎn)品性能對(duì)比表

圖一：閉環(huán)步進(jìn)和伺服位置跟蹤誤差示意圖

表二：步進(jìn)、閉環(huán)步進(jìn)、伺服選型實(shí)例一覽表

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)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)固定的角度即步距角。

圖二:雷賽最新CM系列步進(jìn)電機(jī)

2.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)介紹

保持轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)繞組通額定電流但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時(shí)步進(jìn)電機(jī)輸出力矩近似于保持轉(zhuǎn)矩。

矩頻曲線：描述電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。

圖三：雷賽相同轉(zhuǎn)矩57機(jī)座開(kāi)環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖四：相同轉(zhuǎn)矩86機(jī)座開(kāi)環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

備注：步進(jìn)電機(jī)電壓平衡方程式：U=E+IR，供電電壓U，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E，繞組電流I，繞組電阻R。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高反電動(dòng)勢(shì)越大，能流入電機(jī)繞組的電流越小，導(dǎo)致電機(jī)力矩越小。

轉(zhuǎn)子慣量：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量，負(fù)載慣量最大不宜超過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量5倍。

步距角：整步下一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。一般兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8°，三相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是1.2°，五相混合步進(jìn)電機(jī)步距角是0.72°。

2.2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖五：步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3步進(jìn)電機(jī)接線方式

圖六：步進(jìn)電機(jī)接線方式

a)  四線電機(jī)：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值；

b)  六線電機(jī)高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的50%；

c)  六線電機(jī)高速模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的100% ；

d)  八線電機(jī)并聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的140% ；

e)  八線電機(jī)串聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的70%。

2.4步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)

低速力矩大，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，一般在800rpm以上力矩下降加快，精度是步距角的3%~5%，整圈沒(méi)有累積誤差，兩相混合步進(jìn)電機(jī)精度為0.18°；步進(jìn)電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)性快，無(wú)過(guò)沖和整定時(shí)間，停止時(shí)電機(jī)軸無(wú)微振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)存在低頻共振，第一個(gè)共振點(diǎn)的轉(zhuǎn)速大約是1r/s。步進(jìn)電機(jī)是恒電流控制，發(fā)熱和噪音較大，同時(shí)沒(méi)有過(guò)載能力，電機(jī)力不夠就會(huì)堵轉(zhuǎn)，故選型時(shí)應(yīng)預(yù)留1.4-2倍安全系數(shù)。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器使用便捷無(wú)需復(fù)雜的調(diào)試就能使用。

本體是步進(jìn)電機(jī)，增加位置反饋器件（光電編碼器或磁編碼器），運(yùn)用類似伺服電機(jī)的控制方法形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖七：雷賽新一代CL系列閉環(huán)步進(jìn)的3D和實(shí)物圖

3.1閉環(huán)步進(jìn)重要參數(shù)

編碼器精度：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。閉環(huán)步進(jìn)常規(guī)編碼器線數(shù)有1000線、2500線、5000線。以5000線為例，它的分辨率為360°/(4*5000)=0.018° ，精度高于開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)。

矩頻曲線：描述電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線。

位置誤差：指令位置和編碼器反饋位置之間的差值。位置誤差過(guò)大驅(qū)動(dòng)器會(huì)報(bào)超差報(bào)警。

3.2閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

圖八：閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

3.3 閉環(huán)步進(jìn)的特點(diǎn)

閉環(huán)步進(jìn)根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動(dòng)小于開(kāi)環(huán)步進(jìn)，有編碼器反饋所以精度高于普通步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)響應(yīng)比開(kāi)環(huán)步進(jìn)慢，運(yùn)行過(guò)程中存在位置誤差，誤差會(huì)在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低。高速力矩比開(kāi)環(huán)步進(jìn)大，常見(jiàn)應(yīng)用在0-1500rpm場(chǎng)合。做插補(bǔ)機(jī)械剛性不足（皮帶結(jié)構(gòu)）且負(fù)載慣量較大時(shí)，會(huì)因?yàn)槲恢酶櫿`差大導(dǎo)致偏位。小部分閉環(huán)步進(jìn)需要簡(jiǎn)單的調(diào)試才能使用。

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。位置模式下伺服電機(jī)靠脈沖來(lái)定位，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。同時(shí)伺服電機(jī)編碼器具備反饋功能，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼器都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動(dòng)器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動(dòng)器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。

圖九：雷賽L5系列交流伺服產(chǎn)品實(shí)物圖

4.1伺服電機(jī)重要參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速：電動(dòng)機(jī)輸出最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）、以額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。

額定轉(zhuǎn)矩：是指電機(jī)能夠連續(xù)安全輸出的轉(zhuǎn)矩大小，在環(huán)境溫度為25 °C時(shí)，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)繞組溫度和驅(qū)動(dòng)器功率器件溫度不會(huì)超過(guò)最高允許溫度，電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)器不會(huì)損壞。

最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。在最大轉(zhuǎn)矩下短時(shí)工作不會(huì)引起電機(jī)損壞或性能不可恢復(fù)。

最大電流：伺服短時(shí)間工作允許通過(guò)的最大電流，一般為額定電流的3倍。

最高轉(zhuǎn)速：電機(jī)短時(shí)間工作的最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速電機(jī)力矩下降，電機(jī)發(fā)熱量更大。

轉(zhuǎn)子慣量J：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量單位kgcm^2，一般負(fù)載慣量最大不超過(guò)20倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量。

編碼器線數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。伺服常規(guī)編碼器線數(shù)有2500線、5000線、17位和23位編碼器。17位編碼器精度為0.0027°高于常規(guī)的步進(jìn)和閉環(huán)步進(jìn)。

伺服電機(jī)兩個(gè)重要公式：T=Kt*I，P=n（單位換算成弧度/秒）*T。

4.2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖十：伺服電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.3 伺服三環(huán)控制原理框圖

圖十一：伺服三環(huán)控制原理框圖

4.4伺服電機(jī)的特點(diǎn)

交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點(diǎn)，常見(jiàn)200W,400W低中慣量交流伺服額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，最高轉(zhuǎn)速5000rpm，轉(zhuǎn)速高。力矩與電流成正比，可以工作在力矩模式，例如鎖螺絲，壓端子等需要恒定力矩的場(chǎng)合。交流伺服工作噪音振動(dòng)極小，發(fā)熱低。同體積下電機(jī)慣量轉(zhuǎn)子慣量小，400W伺服慣量?jī)H相當(dāng)于57基座2NM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。伺服具備短時(shí)間過(guò)載能力，選型時(shí)需考慮加減速時(shí)電機(jī)過(guò)載倍數(shù)。伺服采用閉環(huán)控制，同閉環(huán)步進(jìn)一樣存在位置跟蹤誤差，雷賽伺服具備軌跡跟蹤和共振抑制功能以提高伺服剛性來(lái)降低位置誤差，和定位時(shí)間，以達(dá)到更好的插補(bǔ)效果。伺服需要調(diào)試才能使用。

1）步進(jìn)電機(jī)適合低速短距離、小角度、快速起停、低機(jī)械連接剛性的場(chǎng)合及振動(dòng)、噪音、發(fā)熱和精度要求較低的場(chǎng)合。雷賽步進(jìn)調(diào)試簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)因?yàn)闊o(wú)定位時(shí)間和位置誤差較小比閉環(huán)和伺服存在優(yōu)勢(shì)。選型時(shí)要注意選型電機(jī)轉(zhuǎn)矩是理論計(jì)算扭矩的1.4-2倍，同時(shí)負(fù)載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量。

2）閉環(huán)步進(jìn)適用于普通步進(jìn)達(dá)不到的中速場(chǎng)合，中長(zhǎng)行程點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，對(duì)噪音和振動(dòng)發(fā)熱和定位時(shí)間有一定的要求，精度較高，帶報(bào)警輸出，防止損壞機(jī)械設(shè)備浪費(fèi)貴重原材料，雷賽閉環(huán)步進(jìn)基本無(wú)需調(diào)試、價(jià)格適中。選型計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)矩不用預(yù)留安全系數(shù)，負(fù)載慣量小于5倍轉(zhuǎn)子慣量。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)要求較強(qiáng)的機(jī)械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負(fù)載慣量比（負(fù)載慣量小于3倍轉(zhuǎn)子慣量）。

3）伺服適用于高速、中長(zhǎng)行程、高精度、低噪音、低振動(dòng)、低發(fā)熱場(chǎng)合，雷賽伺服驅(qū)動(dòng)器帶多個(gè)自定義IO口和分頻輸出，功能齊全，拓展性強(qiáng)。但調(diào)試相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格較高。選型計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)矩不用預(yù)留安全系數(shù)，負(fù)載慣量小于30倍轉(zhuǎn)子慣量。做快速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)要求較強(qiáng)的機(jī)械連接剛性（絲桿或齒輪齒條結(jié)構(gòu)）和較小負(fù)載慣量比（負(fù)載慣量小于3倍轉(zhuǎn)子慣量）。