步進(jìn)電機替代伺服電機，你信嗎？

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(jìn)步正在改變步進(jìn)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(jìn)電機為用戶提供出色的精度和效率，既能達(dá)到伺服電機的性能，又具有步進(jìn)電機的低價優(yōu)勢。成本更低的步進(jìn)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(jìn)電機與伺服電機之對比

根據(jù)傳統(tǒng)的觀念，在需要速度超過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)性能更為出色。步進(jìn)電機則更適合用于速度較低、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(jìn)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(xì)分析下。

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結(jié)     構(gòu)
步進(jìn)電機采用步進(jìn)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(dá)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(jìn)行100次步進(jìn)操作。步進(jìn)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(jìn)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)。





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簡便性和成本
步進(jìn)電機不僅比伺服電機成本低，而且調(diào)試和維護(hù)都更加簡單。步進(jìn)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)用場合有更高的性能要求，則必須采用更昂貴、更復(fù)雜的伺服電機。
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定      位
在需要隨時了解機器準(zhǔn)確位置的應(yīng)用中，步進(jìn)電機和伺服電機有重要差別。在通過步進(jìn)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。

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速度和轉(zhuǎn)矩
步進(jìn)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(jìn)電機的極數(shù)比伺服電機多得多，因此步進(jìn)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(dá)到了最大轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)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，伺服電機都是建議方案。與此相反，步進(jìn)電機較多的極數(shù)在低速狀態(tài)下具有優(yōu)勢，因為此時步進(jìn)電機與同等尺寸的伺服電機相比具有轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢。

隨著速度的增加，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)矩會下降

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熱和能耗
開環(huán)步進(jìn)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)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(jìn)控制系統(tǒng)則更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(jìn)電機成本更低，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(jìn)步的推動下，步進(jìn)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(jìn)電機

如果能將閉環(huán)伺服技術(shù)優(yōu)勢適用于步進(jìn)電機，那么效果會如何呢？
我們是否能在實現(xiàn)步進(jìn)電機成本優(yōu)勢的同時，達(dá)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(jìn)電機將會成為一個同時具備伺服和步進(jìn)電機優(yōu)點的低成本的綜合性產(chǎn)品。因為閉環(huán)步進(jìn)電機能夠提高性能和能效，所以可以在越來越多的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中取代更昂貴的伺服電機。  
下面我們以嵌入了閉環(huán)控制功能stepIM綜合步進(jìn)電機為例，解析采用閉環(huán)技術(shù)的步進(jìn)電機的性能與優(yōu)劣。

采用閉環(huán)控制的stepIM產(chǎn)品
經(jīng)過集成電子控制后的步進(jìn)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。

低能耗以及保持冷卻狀態(tài)
StepIM步進(jìn)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(jìn)電機會導(dǎo)致發(fā)熱和噪音問題不同，stepIM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(jìn)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更低，所以stepIM步進(jìn)電機可以實現(xiàn)與伺服電機相仿的更高峰值轉(zhuǎn)矩。

即使在高速度下，StepIM步進(jìn)電機所需的電流也更小

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(jìn)電機通常要保證轉(zhuǎn)矩至少比應(yīng)用所需的數(shù)值高40%。閉環(huán)stepIM步進(jìn)電機則不存在這個問題。在這些步進(jìn)電機因為過載而達(dá)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。在任何指定速度下，都可以保證大轉(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(jìn)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。