在越來越多的高標準工業自動化應用領域，技術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(bi)環技術后，閉環步進電(dian)機(ji)為(wei)用戶(hu)提(ti)供出色的(de)精(jing)度和(he)效率，既能達到(dao)伺服電(dian)機(ji)的(de)性(xing)能，又具(ju)有步進電(dian)機(ji)的(de)低(di)價優勢。 成本更低的步進(jin)電機正在逐漸滲透到(dao)原本被高成本伺服電機所(suo)支配的應用領域。

步進(jin)電(dian)(dian)機(ji)與伺服電(dian)(dian)機(ji)之對比

根據傳統(tong)的(de)觀念(nian)，在需要速度超過800 RPM以及需要高動態響應的應用中，伺服控制系統性能更為出色。步進電機則更適合用于 速(su)度較低、低到中(zhong)等加速(su)度、需要較高保持轉(zhuan)矩(ju)的應用。

那么(me)這種關于步進電機和(he)伺服電機的傳統觀念(nian)的依據是什么(me)呢(ni)？下(xia)面讓我們來(lai)詳細分析下(xia)。

1、結構

步進(jin)電(dian)機采用(yong)(yong)步進(jin)方式轉(zhuan)動(dong)(dong)，利用(yong)(yong)磁線圈(quan)逐步拉動(dong)(dong)一個磁體，使其(qi)從一個位(wei)置到達下一個位(wei)置。要使電(dian)機在(zai)任何(he)(he)方向(xiang)移動(dong)(dong)100個位(wei)置，電(dian)路都需(xu)要對電(dian)機進(jin)行100次(ci)步進(jin)操(cao)作。步進(jin)電(dian)機利用(yong)(yong)脈沖實(shi)現遞增運動(dong)(dong)，可以在(zai)不使用(yong)(yong)任何(he)(he)反饋傳感器的情況下實(shi)現精確定(ding)位(wei)。

伺服(fu)電(dian)機(ji)的(de)運動(dong)方(fang)法是不同的(de)。它(ta)在(zai)磁(ci)轉(zhuan)子(zi)上連接一個位置(zhi)傳感器– 即編碼器 – 會持續檢測電(dian)機(ji)的(de)準確(que)位置(zhi)。伺服(fu)會監控(kong)電(dian)機(ji)實際位置(zhi)和指令位置(zhi)之間的(de)差異(yi)，并對(dui)電(dian)流進行相(xiang)應的(de)調(diao)整(zheng)。這種閉環系統(tong)可(ke)以(yi)使電(dian)機(ji)保持在(zai)正確(que)的(de)運動(dong)狀態(tai)。

2、簡便性和成本

步進電機不僅比伺服電機成本低，而且調試和維護都更加簡(jian)單。步進電機在靜止狀態是穩定的，并能保持位置（即使是采用動態負載）。不過，如果某些應用場合有更高的性能要求，則必須 采用(yong)更(geng)昂貴、更(geng)復雜的伺服電機。

3、定 位

在需要隨時了解機器準確位置的應用中，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運動應用中，控制系統認為電機始終處于正確的運動狀態。不過，在遇到問題以后，比如因為部件卡住而導致電機失速，控制器就無法了解機器的實際位置，從而導致失位(wei)。伺服電機本身的閉環系統具有一個優勢：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(shi)位。

4、速度和轉矩

步進電機和伺服電機的性能差異源自他們不同的電機設計方案。步進電機的極數比伺服電機多得多，因此步進電機旋轉一整圈，所需的繞組電流交換次數要多得多，從而導致在速度增加的情況下，其轉矩迅速下降。另外，如果達到了最大轉矩，步進電機可能會失去 速度同步化功能。出于這些原因，在大部分高速應用中，伺服電機都是首選方案。與此相反，步進電機較多的極數在低速狀態下具有優勢，因為此時步進電機與同等尺寸的伺服電機相比具有轉矩優勢。

隨著(zhu)速度(du)的增加，步(bu)進電機的轉矩(ju)會下(xia)降

5、熱和能耗

開環步進電機采用固定電流，并會散發大量熱量。閉環控制只提供速度環路所需的電流，因此避免了電機發(fa)熱(re)問題。

比較(jiao)總結(jie)

伺服控制系統最適合涉及到動態負載變化的高(gao)速應用，比如機械臂。步進控制系統則更適合需要低(di)到中加速度和高保持轉矩的(de)應用，比如3D打印機、傳送帶、副軸等。因為步進電機成本更低，所以在使用之后，可以降低自動化系統的成本。運動控制系統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。

在閉環技術進(jin)步的(de)推動(dong)下，步進(jin)電(dian)機(ji)能夠滲(shen)透到以前完全屬于伺服電(dian)機(ji)的(de)高(gao)性能、高(gao)速度應用領域

采用閉環(huan)技術(shu)的步進電機

如果能將(jiang)閉環伺服(fu)技(ji)術優勢適用于步(bu)進電機，那么(me)效果會如何呢？

我們是否能在實現步進電機成本優勢的同時，達到與伺服電機相仿的性能呢？

通(tong)過(guo)結合閉(bi)環控制技術，步進電機(ji)將會成(cheng)為一(yi)個同(tong)時具備伺(si)服和步進電機(ji)優點的低成(cheng)本的綜合性(xing)產品。因為閉(bi)環步進電機(ji)能(neng)夠顯著(zhu)提高性(xing)能(neng)和能(neng)效，所以(yi)可以(yi)在越來越多的高標準應(ying)用中(zhong)取代更昂貴的伺服電機。

下面我們以嵌入了(le)閉環控制功能(neng)拓(tuo)達綜合步進電機為例，解析采用閉環技術的步進電機的性能與優劣。

采用閉環控制的拓達產品

經過集成電子控制后的步進電機相當于一個雙相(xiang)無刷直流電機，可以執行位置環(huan)路控制、速度(du)環(huan)路控制、DQ控制、以及其他算法 。采用一個單圈絕對式編碼器實現閉環換向，從而確保可以在任何速度下達到最(zui)佳轉矩。

低(di)能耗以及保持冷卻狀態

拓達(da)步進電機具有高能(neng)效。與始終按照全電流指令操作的開環步進電機會導致發熱和噪音問題不同， 拓達的電流會根(gen)據(ju)運動的實際情況(kuang)改變(bian)，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矩成正比。因為電機和集成電子控制板 運行溫度(du)更(geng)低(di)，所以拓(tuo)達步進電機可以實現與伺服電機相仿(fang)的更高峰值(zhi)轉矩。

即使在高速度下，拓達(da)步進電機所需的電流也更小

精確匹配性能要求

為(wei)了(le)確保有足夠的(de)轉(zhuan)矩來克服干擾和避免失步，開(kai)環步進電機通(tong)常要保證轉(zhuan)矩至少比應用所需的(de)數值高40% 。閉環拓達(da)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時，它們會 繼(ji)續保持負載狀態，不會失去轉矩。在消除過載狀態后，它們會繼續運行。在任何指定速度下，都可以保證最大轉矩，同時通過位置傳感器來確保 不會失步。因此，閉環步進電機的規格可以精確匹配相關應用的轉矩要求，不需要額外增加40%的裕度。

對于開環步進電機，因為有失步的風險，所以難以滿足較高的瞬態轉矩需求。拓達閉環步進電機可以實現很快的加速，運行噪音更低，并且共振比傳統步進電機更小。它們可以在更高的帶寬下操作，并實現出色的性能。

無柜機器

拓達將驅動控制板與電機集成在一起，減少了連線數量，簡化了實施方案。 使用 拓(tuo)達，可以建造無柜機器。

將(jiang)電(dian)子設備與步(bu)進(jin)電(dian)機集(ji)成在一起，可以降低復雜度

結(jie)語

閉環步進電機改變了很多運動控制應用中的性能-成本比。因為擁有出色的精度和能效，所以拓(tuo)達步進電機能夠用于過去以更昂貴伺服電機為主的領域。拓達閉環進步電機的成功也為讓我們看到了一種可能——低成本的 步進電機替代高成本 伺服電機。

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