步進電機能否替代高成本伺服電機？

時間：2020-12-21作者：深圳市立三機電有限公司瀏覽：35

在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)的進步正在改變步進電機和伺服電機之間的性能-成本比。
在采用了閉環(huán)技術(shù)后，閉環(huán)步進電機為用戶提供出色的精度和效率，既能達到伺服電機的性能，又具有步進電機的低價優(yōu)勢。成本較低的步進電機正在逐漸滲透到原本被高成本伺服電機所支配的應(yīng)用領(lǐng)域。
步進電機與伺服電機對比
根據(jù)傳統(tǒng)的觀念，在需要速度**過800 RPM以及需要高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中，伺服控制系統(tǒng)性能較為出色。步進電機則較適合用于速度較低、低到中等加速度、需要較高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用。
那么這種關(guān)于步進電機和伺服電機的傳統(tǒng)觀念的依據(jù)是什么呢？下面讓我們來詳細分析下。
1   結(jié)構(gòu)
步進電機采用步進方式轉(zhuǎn)動，利用磁線圈逐步拉動一個磁體，使其從一個位置到達下一個位置。要使電機在任何方向移動100個位置，電路都需要對電機進行100次步進操作。步進電機利用脈沖實現(xiàn)遞增運動，可以在不使用任何反饋傳感器的情況下實現(xiàn)精確定位。
伺服電機的運動方法是不同的。它在磁轉(zhuǎn)子上連接一個位置傳感器– 即編碼器 – 會持續(xù)檢測電機的準(zhǔn)確位置。伺服會監(jiān)控電機實際位置和指令位置之間的差異，并對電流進行相應(yīng)的調(diào)整。這種閉環(huán)系統(tǒng)可以使電機保持在正確的運動狀態(tài)。

2   簡便性和成本
步進電機不僅比伺服電機成本低，在現(xiàn)在競爭激烈的市場環(huán)境下，這也是步進電機較大的優(yōu)點之一。而且調(diào)試和維護都較加簡單。步進電機在靜止?fàn)顟B(tài)是穩(wěn)定的，并能保持位置（即使是采用動態(tài)負(fù)載）。不過，如果某些應(yīng)用場合有較高的性能要求，則必須采用較昂貴、較復(fù)雜的伺服電機。

3  定位
在需要隨時了解機器準(zhǔn)確位置的應(yīng)用中，步進電機和伺服電機有重要差別。在通過步進電機控制的開環(huán)運動應(yīng)用中，控制系統(tǒng)認(rèn)為電機始終處于正確的運動狀態(tài)。不過，在遇到問題以后，比如因為部件卡住而導(dǎo)致電機失速，控制器就無法了解機器的實際位置，從而導(dǎo)致失位。伺服電機本身的閉環(huán)系統(tǒng)具有一個優(yōu)勢：如果其被一個物體卡住，會立刻檢測到。機器會停止操作，始終不會失位。

4   速度和轉(zhuǎn)矩
步進電機和伺服電機的性能差異源自他們不同的電機設(shè)計方案。步進電機的較數(shù)比伺服電機多得多，因此步進電機旋轉(zhuǎn)一整圈，所需的繞組電流交換次數(shù)要多得多，從而導(dǎo)致在速度增加的情況下，其轉(zhuǎn)矩迅速下降。另外，如果達到了較大轉(zhuǎn)矩，步進電機可能會失去速度同步化功能。出于這些原因，在大部分高速應(yīng)用中，伺服電機都是可以選擇方案。與此相反，步進電機較多的較數(shù)在低速狀態(tài)下具有優(yōu)勢，因為此時步進電機與同等尺寸的伺服電機相比具有轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢。
圖片
隨著速度的增加，步進電機的轉(zhuǎn)矩會下降

5  熱和能耗
開環(huán)步進電機采用固定電流，并會散發(fā)大量熱量。閉環(huán)控制只提供速度環(huán)路所需的電流，因此避免了電機發(fā)熱問題。
比較總結(jié)
伺服控制系統(tǒng)較適合涉及到動態(tài)負(fù)載變化的高速應(yīng)用，比如機械臂。步進控制系統(tǒng)則較適合需要低到中加速度和高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，比如3D打印機、傳送帶、副軸等。因為步進電機成本較低，所以在使用之后，可以降低自動化系統(tǒng)的成本。運動控制系統(tǒng)如果需要利用伺服電機的特性，就必須證明這些成本較高的電機物有所值。


在閉環(huán)技術(shù)進步的推動下，步進電機能夠滲透到以前完全屬于伺服電機的高性能、高速度應(yīng)用領(lǐng)域
采用閉環(huán)技術(shù)的步進電機
如果能將閉環(huán)伺服技術(shù)優(yōu)勢適用于步進電機，那么效果會如何呢？
我們是否能在實現(xiàn)步進電機成本優(yōu)勢的同時，達到與伺服電機相仿的性能呢？
通過結(jié)合閉環(huán)控制技術(shù)，步進電機將會成為一個同時具備伺服和步進電機優(yōu)點的低成本的綜合性產(chǎn)品。因為閉環(huán)步進電機能夠顯著提高性能和能效，所以可以在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中取代較昂貴的伺服電機。
下面我們以嵌入了閉環(huán)控制功能立三閉環(huán)步進電機為例，解析采用閉環(huán)技術(shù)的步進電機的性能與優(yōu)劣。

采用閉環(huán)控制的立三產(chǎn)品
經(jīng)過集成電子控制后的步進電機相當(dāng)于一個雙相無刷直流電機，可以執(zhí)行位置環(huán)路控制、速度環(huán)路控制、DQ控制、以及其他算法。采用一個單圈**式編碼器實現(xiàn)閉環(huán)換向，從而確保可以在任何速度下達到較佳轉(zhuǎn)矩。
低能耗以及保持冷卻狀態(tài)
立三閉環(huán)步進電機具有高能效。與始終按照全電流指令操作的開環(huán)步進電機會導(dǎo)致發(fā)熱和噪音問題不同，立三閉環(huán)步進電機的電流會根據(jù)運動的實際情況改變，比如在加速和減速過程中。與伺服類似，在任何時刻，這些步進電機所消耗的電流都與所需的實際轉(zhuǎn)矩成正比。因為電機和集成電子控制板運行溫度較低，所以立三閉環(huán)步進電機可以實現(xiàn)與伺服電機相仿的較高峰值轉(zhuǎn)矩。
                 

即使在高速度下，立三閉環(huán)步進電機所需的電流也較小
精確匹配性能要求
為了確保有足夠的轉(zhuǎn)矩來克服干擾和避免失步，開環(huán)步進電機通常要保證轉(zhuǎn)矩至少比應(yīng)用所需的數(shù)值高40%。立三閉環(huán)步進電機則不存在這個問題。在這些步進電機因為過載而達到失速狀態(tài)時，它們會繼續(xù)保持負(fù)載狀態(tài)，不會失去轉(zhuǎn)矩。在消除過載狀態(tài)后，它們會繼續(xù)運行。在任何*速度下，都可以保證較大轉(zhuǎn)矩，同時通過位置傳感器來確保不會失步。因此，閉環(huán)步進電機的規(guī)格可以精確匹配相關(guān)應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩要求，不需要額外增加40%的裕度。
對于開環(huán)步進電機，因為有失步的風(fēng)險，所以難以滿足較高的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩需求。立三閉環(huán)步進電機可以實現(xiàn)很快的加速，運行噪音較低，并且共振比傳統(tǒng)步進電機較小。它們可以在較高的帶寬下操作，并實現(xiàn)出色的性能。
結(jié)語
閉環(huán)步進電機改變了很多運動控制應(yīng)用中的性能-成本比。因為擁有出色的精度和能效，所以立三閉環(huán)步進電機能夠用于過去以較昂貴伺服電機為主的領(lǐng)域。立三閉環(huán)進步電機的成功也為讓我們看到了一種未來趨勢——低成本的步進電機替代高成本伺服電機。


深圳市立三機電有限公司專注于兩相步進電機,閉環(huán)電機,兩相步進電機驅(qū)動器等

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  詞條說明

• 步進電機能否替代高成本伺服電機？

  在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)的進步正在改變步進電機和伺服電機之間的性能-成本比。 在采用了閉環(huán)技術(shù)后，閉環(huán)步進電機為用戶提供出色的精度和效率，既能達到伺服電機的性能，又具有步進電機的低價優(yōu)勢。成本較低的步進電機正在逐漸滲透到原本被高成本伺服電機所支配的應(yīng)用領(lǐng)域。 步進電機與伺服電機對比 根據(jù)傳統(tǒng)的觀念，在需要速度**過800 RPM以及需要高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中，伺服控制系統(tǒng)性能較為出色。

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