步进和闭环步进及交流伺服电机产品的特点及对比-电子发烧友网

本文将介绍步进、闭环步进、交流伺服产品的特点及对比，帮助工程师选择最适合自动化设备应用要求的产品。

1、步进、闭环、交流伺服产品对比

表一：步进、闭环、伺服产品性能对比表

图一：闭环步进和伺服位置跟踪误差示意图

表二：步进、闭环步进、伺服选型实例一览表

2、步进电机

步进电机是一种将数字脉冲信号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定的方向转动一个固定的角度即步距角。

图二:雷赛CM系列步进电机

2.1 步进电机参数介绍

保持转矩：步进电机绕组通额定电流但没有转动时，定子锁住转子的力矩，一般在转速小于1r/s时步进电机输出力矩近似于保持转矩。

矩频曲线：描述电机转矩和转速关系的曲线。

图三：雷赛相同转矩57机座开环步进和闭环电机转矩对比

图四：相同转矩86机座开环步进和闭环电机转矩对比

备注：步进电机电压平衡方程式：U=E+IR，供电电压U，电机反电动势E，绕组电流I，绕组电阻R。电机转速越高反电动势越大，能流入电机绕组的电流越小，导致电机力矩越小。

转子惯量：步进电机转子旋转惯量，负载惯量最大不宜超过电机转子惯量5倍。

步距角：整步下一个脉冲信号步进电机转过的角度。一般两相混合式步进电机步距角是1.8°，三相混合步进电机步距角是1.2°，五相混合步进电机步距角是0.72°。

2.2 步进电机结构

图五：步进电机内部结构

2.3步进电机接线方式

图六：步进电机接线方式

a) 四线电机：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值;

b) 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的50%;

c) 六线电机高速模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的100% ;

d) 八线电机并联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的140% ;

e) 八线电机串联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的70%。

2.4步进电机特点

低速力矩大，转矩会随着转速的提高而降低，一般在800rpm以上力矩下降加快，精度是步距角的3%~5%，整圈没有累积误差，两相混合步进电机精度为0.18°;步进电机采用开环控制，系统响应性快，无过冲和整定时间，停止时电机轴无微振动。步进电机存在低频共振，第一个共振点的转速大约是1r/s。步进电机是恒电流控制，发热和噪音较大，同时没有过载能力，电机力不够就会堵转，故选型时应预留1.4-2倍安全系数。步进电机及驱动器使用便捷无需复杂的调试就能使用。

3、闭环步进

本体是步进电机，增加位置反馈器件(光电编码器或磁编码器)，运用类似伺服电机的控制方法形成的闭环控制系统。

图七：雷赛CL系列闭环步进的3D和实物图

3.1闭环步进重要参数

编码器精度：电机转一圈编码器反馈到驱动器的脉冲个数，影响闭环步进精度。闭环步进常规编码器线数有1000线、2500线、5000线。以5000线为例，它的分辨率为360°/(4*5000)=0.018° ，精度高于开环控制的步进电机。

矩频曲线：描述电机转矩和转速关系的曲线。

位置误差：指令位置和编码器反馈位置之间的差值。位置误差过大驱动器会报超差报警。

3.2闭环步进原理框图

图八：闭环步进原理框图

3.3 闭环步进的特点

闭环步进根据负载大小自动调节绕组电流大小，发热和振动小于开环步进，有编码器反馈所以精度高于普通步进电机，电机响应比开环步进慢，运行过程中存在位置误差，误差会在指令停止后数毫秒逐渐降低。高速力矩比开环步进大，常见应用在0-1500rpm场合。做插补机械刚性不足(皮带结构)且负载惯量较大时，会因为位置跟踪误差大导致偏位。小部分闭环步进需要简单的调试才能使用。

4、交流伺服

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。位置模式下伺服电机靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度。同时伺服电机编码器具备反馈功能，伺服电机每旋转一个角度，编码器都会发出对应数量的反馈脉冲，反馈脉冲和伺服驱动器接收的脉冲形成闭环控制，这样伺服驱动器就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。

图九：雷赛L5系列交流伺服产品实物图

4.1伺服电机重要参数

额定转速：电动机输出最大连续转矩(额定转矩)、以额定功率运行时的转速。

额定转矩：是指电机能够连续安全输出的转矩大小，在环境温度为25 °C时，在该转矩下连续运行，电动机绕组温度和驱动器功率器件温度不会超过最高允许温度，电动机或驱动器不会损坏。

最大转矩：电动机所能输出的最大转矩。在最大转矩下短时工作不会引起电机损坏或性能不可恢复。

最大电流：伺服短时间工作允许通过的最大电流，一般为额定电流的3倍。

最高转速：电机短时间工作的最高转速，最高转速电机力矩下降，电机发热量更大。

转子惯量J：伺服电机转子旋转惯量单位kgcm^2，一般负载惯量最大不超过20倍电机转子惯量。

编码器线数：电机转一圈编码器反馈到驱动器的脉冲个数，影响闭环步进精度。伺服常规编码器线数有2500线、5000线、17位和23位编码器。17位编码器精度为0.0027°高于常规的步进和闭环步进。

伺服电机两个重要公式：T=Kt*I，P=n(单位换算成弧度/秒)*T。

4.2 伺服电机结构

图十：伺服电机内部结构