标準交流感應和直流電機适用于基本速度控制，但步進和伺服系統具有逐步改進定位和精細電機控制的能力。本文圖片來源 ：Automation Direct

作者：Joe Kimbrell

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改進的步進電機系統可以提供比标準變速電機更高的精度，且沒有伺服電機的高成本和高複雜性。

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新的步進電機技術的正在被更多應用場景采用，并且成本比其它方案更低。幾乎每個工業機械應用都涉及創建和控制某種類型的運動。當設計人員考慮價格和性能要求時，氣動系統可能是一個很好的低成本選擇，而液壓系統則可以提供更大的推力。不過，最常見的動力仍是某種形式的電動機。

對于工業應用來講，運動控制不僅僅是指通過旋轉電機來産生的運動，通常還涉及到使用某種形式的驅動來精确控制設備元件的位置、速度和加速度。

标準的交流感應電機和直流電機，最适合以定速或可變速度控制簡單的開 / 關和連續運行，但它們并不适合定位和精細控制。伺服控制器、驅動器和電機為所有類型的運動控制提供了非常高的性能，但其複雜性使工程和采購成本上升。

在成本方面，步進電機的成本比伺服解決方案更低，但控制精度卻比标準交流感應或直流電機更高。雖然步進電機系統有一些限制，但新的高壓母線版本克服了其中一些問題，使該技術成為更多應用的可行選擇。

選擇任何電機系統都需要了解負載以及負載如何在力、速度和精度的條件下進行運動。以下是一些工業應用中最常見的電機類型 ：

1交流感應電機

提供多種外形尺寸和額定馬力，适用于一般應用場合，使用簡單的接觸器定速運行，或使用變頻器以可調速度運行。

2直流電機

在低速時能夠提供良好的扭矩，需要配套的直流驅動器，通常可以提供合理的速度控制。

3直流步進電機

由于使用快速脈沖指令使電機以小步數快速移動的方式移動，速度控制比交流或直流電機更好，但這些電機運行時的速度較低，輸出力矩較小。

4高母線電壓步進電機

本質上與直流步進電機相同，但驅動器可以接受交流電源并産生更高的直流母線電壓，因此具有更高的速度和扭矩能力。

5伺服電機

在整個速度範圍内以全扭矩提供高速移動，對位置和速度可進行超精确控制。

為了使電機可以變速運行，所列出的每種電機類型都需要一個适當的驅動器。高級控制指令，尤其是協調運動，需要一個單獨的控制器，它可以是專用的運動控制器，也可以是更高端的可編程邏輯控制器 (PLC) 或 PC。在某些情況下，控制器和驅動器功能可以組合在同一個設備中。

在通常情況下，如果額定值匹配，可以集成來自不同供應商的電機、驅動器和控制器，但對于更複雜的系統（特别是伺服和步進電機），許多用戶發現從單一産品組合中選擇産品以獲得最佳兼容性更為有效。同時， 從一個供應商而不是幾個供應商那裡獲得支持也更容易。

用于運動控制的電機，通常連接到帶有齒輪箱、齒形皮帶、齒條和小齒輪和類似裝置的機械設備，因此無論最終輸出是旋轉還是線性，它們都可以與被驅動設備保持直接的無滑移運動傳輸關系。

開環電機控制描述何時啟動電機，但不監控實際電機或設備的運行，因此并沒有反饋來識别運動精度。閉環電機控制依賴于安裝在設備上或電機本身的傳感器提供操作反饋，因此控制器可以精确調節運動指令。

通常認為，交流感應和直流電機是兩種最容易安裝和維護的電機。部分原因是它們通常以開環方式運行，盡管設備上可能有一些傳感器來提供指示。例如，一台簡單的起重機可能會使用可逆電機來提升或降低負載，所依靠的僅僅是行程末端的限位開關。

相對而言，伺服電機需要更多的設計和安裝工作。它包含精确的電機傳感器，可以随時更新電機（以及驅動設備）的位置、速度和加速度，使其成為操作機器人手臂關節或 X-Y-Z 笛卡爾定位器的理想選擇。

大多數步進電機處于中間位置，因為它們的指令精度很高，盡管一般沒有持續的閉環反饋。然而，将步進電機作為閉環操作是可能的，而且變得越來越普遍。另外，帶有集成驅動裝置的更先進的步進電機也開始出現，并提供了一種内置閉環控制的形式。相較于伺服電機，作為一種成本更低的運動控制替代方案，要決定何時采用步進電機是正确的設計選擇，需要了解更多細節。

對于運動控制應用，每個行程路徑稱為軸，可以是旋轉的或線性的。有時像機器人、定位設備和印刷機這樣複雜的設備會有很多軸，彼此之間必須緊密配合。在這些情況下，由帶有内置路徑規劃器的專用運動控制器操作的伺服系統通常是最佳選擇。

對于許多單軸應用，步進電機具有更好的性價比。步進電機還有其它獨特的功能，這些功能對某些應用很有幫助，例如 ：

• 零速度下無抖動 ；

• 具有降低空載電流的選項，可在驅動器處于靜止狀态且不受重力或其它力的情況下節省能源并減少發熱。

步進電機由驅動器産生的脈沖串驅動。通常情況下，電機旋轉 360 度，對應 200 步， 因此每個完整步代表 1.8 度旋轉。大多數用戶選擇更精細的步進模式（稱為微步進），例如半步、四分之一步等（圖 2）。

▎圖 2 ：微步（綠色）與完整步（藍色）實現的最終位置相同，但 微步需要更高頻的指令來平滑運動操作。

微步進可以提供更平滑的操作，但由于微步進模式更精細，因此控制器所需的最大脈沖頻率也更高，從而需要一些權衡。步進扭矩會随着電機速度的增加而下降，因此可用速度必須與機械運動傳輸要求匹配。

标準步進系統沒有内置正閉環反饋，因此有必要在設計中規定歸位和位置驗證，以确定步進電機是否已停轉或失去同步。這需要一些編程工作、設計考慮，并且有可能花費操作時間。正如在讀取負載之前必須将稱重秤歸零一樣，步進系統必須經過歸位程序才能為未來的移動建立位置基線。歸位必須在調試或上電期間執行，并且可以在運行期間定期重複執行。

位置驗證類似于歸位，但更多的是在運行期間進行快速檢查，以确認位置是否符合預期。它可以周期性地執行，但在最嚴格的應用中可能每個周期都需要驗證一次或多次。

将設備驅動到由位置開關監控的已知位置，可以實現歸位和位置驗證。也可以在步進電機或驅動設備上安裝增量或絕對編碼器來監控運動，這是用于位置驗證的僞閉環方法。

無論是采用伺服系統還是步進系統，通常都使用控制器來命令電機旋轉。以下是一些典型的運動控制類型，按複雜性遞增的順序排列 ：

1. 勻速旋轉 ；

2. 旋轉一定度數後停止 ；

3. 從一個速度加速到另一個速度（線性或 S 曲線）；

4. 從停止位置加速到一定速度，轉動一定度數後減速至零速度（梯形運動）；

5. 匹配外部編碼器（齒輪）的速度 ；

6. 遵循凸輪曲線（遵循基于外部編碼器輸入的複雜運動曲線）。

基礎的步進驅動器并不是智能的，因為它們隻能接收控制器的脈沖序列指令，然後将其放大以提供電機所需的脈沖電壓。一些步進 驅動器确實包含控制器，但通常使用外部控制器，如具有高速數字輸出的 PLC 或 PC。由于很多自動化機器已經使用 PLC，因此與高速離散輸出卡和步進驅動器一起使用的 PLC, 對單軸控制更有吸引力。

傳統的步進電機驅動器必須由低電平直流電壓（12V、24V 等）供電，但較新的設計可以由 120/230V 交流供電，因此具有更高的母線電壓（圖 3）。這使兼容電機能夠在比标準步進電機更高的速度下實現更高的扭矩。

▎圖 3 ：傳統的直流 步進系統需要單獨 的電源 ；高總線電 壓的步進系統，使 兼容的步進電機能 夠實現更高的扭矩 和速度，因此它們 可以在更多的應用 中工作。

市場上已經有滿足 NEMA 标準規格的多種步進電機可供選擇，并且結構緊湊，便于機器設計。由于步進電機沒有其它電機那樣的過載能力，因此在根據經驗确定步進電機和驅動器的規格時，應使預期負載僅占可用扭矩的 50% 左右，以避免潛在的停轉情況。設計人 員還必須考慮步進器的速度限制。查看步進電機的速度 - 扭矩曲線，以确定電機是否能夠在應用所需的速度下提供足夠的扭矩。

大多數設計人員都熟悉使用交流感應和直流電機進行基本的設備運動控制，并且知道伺服電機是機器人等要求苛刻的運動控制應用的高性能解決方案。對于需要精确單軸或簡單多軸運動的應用，步進電機系統可以提供可靠的運動控制，且成本僅為伺服系統的 25%。最新的高母線電壓步進器硬件具有更好的扭矩特性，從而使步進器可以适合更多應用場景。設計人員應與步進電機供應商合作，以評估更适合的選項。

關鍵概念：

■ 了解 5 種電機技術和常見用途 ；

■ 何時使用步進電機與伺服電機 ；

■ 新技術的發展為步進電機帶來了更廣泛的應用。

思考一下：

鑒于新技術的發展，您是否評估過工廠中步進電機的使用效果？

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