本文介紹步進(jìn)、閉環(huán)步進(jìn)、交流伺服產(chǎn)品的特點(diǎn)及對比，幫助工程師選擇最適合自動化設(shè)備應(yīng)用要求的產(chǎn)品。

1、步進(jìn)、閉環(huán)、交流伺服產(chǎn)品對比

表一：步進(jìn)、閉環(huán)、伺服產(chǎn)品性能對比表

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

2、步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個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有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，一般在轉(zhuǎn)速小于1r/s時步進(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)座開環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對比

圖四：相同轉(zhuǎn)矩86機(jī)座開環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對比

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)反電動勢E，繞組電流I，繞組電阻R。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高反電動勢越大，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電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量5倍。

步距角：整步下一個脈沖信號步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。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)采用開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)性快，無過沖和整定時間，停止時電機(jī)軸無微振動。步進(jìn)電機(jī)存在低頻共振，第一個共振點(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，同時沒有過載能力，電機(jī)力不夠就會堵轉(zhuǎn)，故選型時應(yīng)預(yù)留1.4-2倍安全系數(shù)。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器使用便捷無需復(fù)雜的調(diào)試就能使用。

3、閉環(huán)步進(jìn)

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)動器的脈沖個數(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。位置誤差過大驅(qū)動器會報超差報警。

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)載大小自動調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動小于開環(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)比開環(huán)步進(jìn)慢，運(yùn)行過程中存在位置誤差，誤差會在指令停止后數(shù)毫秒逐漸降低。高速力矩比開環(huán)步進(jìn)大，常見應(yīng)用在0-1500rpm場合。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，會因?yàn)槲恢酶櫿`差大導(dǎo)致偏位。小部分閉環(huán)步進(jìn)需要簡單的調(diào)試才能使用。

4、交流伺服

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）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。位置模式下伺服電機(jī)靠脈沖來定位，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度。同時伺服電機(jī)編碼器具備反饋功能，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動器就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，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，在該轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行，電動機(jī)繞組溫度和驅(qū)動器功率器件溫度不會超過最高允許溫度，電動機(jī)或驅(qū)動器不會損壞。

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

最大電流：伺服短時間工作允許通過的最大電流，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)動器的脈沖個數(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合。交流伺服工作噪音振動極小，發(fā)熱低。同體積下電機(jī)慣量轉(zhuǎn)子慣量小，400W伺服慣量僅相當(dāng)于57基座2NM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。伺服具備短時間過載能力，選型時需考慮加減速時電機(jī)過載倍數(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降低位置誤差，和定位時間，以達(dá)到更好的插補(bǔ)效果。伺服需要調(diào)試才能使用。

5、三種電機(jī)驅(qū)動方案對比總結(jié)：

1）步進(jìn)電機(jī)適合低速短距離、小角度、快速起停、低機(jī)械連接剛性的場合及振動、噪音、發(fā)熱和精度要求較低的場合。雷賽步進(jìn)調(diào)試簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。做快速插補(bǔ)運(yùn)動因?yàn)闊o定位時間和位置誤差較小比閉環(huán)和伺服存在優(yōu)勢。選型時要注意選型電機(jī)轉(zhuǎn)矩是理論計算扭矩的1.4-2倍，同時負(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)不到的中速場合，中長行程點(diǎn)位運(yùn)動，對噪音和振動發(fā)熱和定位時間有一定的要求，精度較高，帶報警輸出，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)基本無需調(diào)試、價格適中。選型計算時轉(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、中長行程、高精度、低噪音、低振動、低發(fā)熱場合，雷賽伺服驅(qū)動器帶多個自定義IO口和分頻輸出，功能齊全，拓展性強(qiáng)。但調(diào)試相對復(fù)雜，價格較高。選型計算時轉(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）。

雷賽簡介

雷賽智能是智能裝備運(yùn)動控制領(lǐng)域的世界知名品牌和行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。

自1997年成立以來，雷賽一直以“替代人類手工勞動”為企業(yè)使命、聚焦于伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制器等系列精品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，并通過鍥而不舍、點(diǎn)點(diǎn)滴滴的持續(xù)努力來成就客戶夢想和實(shí)現(xiàn)共同成長。

經(jīng)過二十年如一日的產(chǎn)品創(chuàng)新、市場開拓和應(yīng)用服務(wù)，雷賽已經(jīng)成為全球產(chǎn)銷規(guī)模領(lǐng)先的運(yùn)動控制產(chǎn)品和解決方案提供商。由于雷賽產(chǎn)品兼具穩(wěn)定可靠和性能優(yōu)越的雙重優(yōu)勢，在電子、機(jī)器人、機(jī)床、激光、醫(yī)療、紡織等行業(yè)獲得上萬家優(yōu)秀設(shè)備廠家的長期使用，且遠(yuǎn)銷美國、德國、印度等60多個國家。