在越來越多的高標準工業(yè)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。在采用了閉環(huán)技術后，成本更低的步進電機正在逐漸滲透到原本被高成本伺服電機所支配的應用領域。

步進電機與伺服電機

    根據(jù)傳統(tǒng)的觀念，在需要速度超過800RPM以及需要高動態(tài)響應的應用中，伺服控制系統(tǒng)性能更為出色。步進電機則更適合用于速度較低、低到中等加速度、和/或需要較高保持轉矩的應用。

    那么這種關于步進電機和伺服電機的傳統(tǒng)觀念的依據(jù)是什么呢？

結構

    步進電機采用步進方式轉動，利用磁線圈逐步拉動一個磁體，使其從一個位置到達下一個位置。要使電機在任何方向移動100個位置，電路都需要對電機進行100次步進操作。步進電機利用脈沖實現(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。

圖1.一個混合步進電機的機械結構

    伺服電機的運動方法是不同的。它在磁轉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，并對電流進行相應的調整。這種閉環(huán)系統(tǒng)可以使電機保持在正確的運動狀態(tài)。

圖2.伺服電機

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單。步進電機在靜止狀態(tài)是穩(wěn)定的，并能保持位置（即使是采用動態(tài)負載）。不過，如果某些應用場合有更高的性能要求，則必須采用更昂貴、更復雜的伺服電機。

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(huán)運動應用中，控制系統(tǒng)認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。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。

圖3.在一個閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的位置反饋

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(shù)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(shù)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(shù)在低速狀態(tài)下具有優(yōu)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(yōu)勢。

圖4.隨著速度的增加，步進電機的轉矩會下降

熱和能耗

    開環(huán)步進電機采用固定電流，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。

步進電機與伺服電機的比較總結

    伺服控制系統(tǒng)最適合涉及到動態(tài)負載變化的高速應用，比如機械臂。步進控制系統(tǒng)則更適合需要低到中加速度和高保持轉矩的應用，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(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。

圖5.在閉環(huán)技術進步的推動下，步進電機能夠滲透到以前完全屬于伺服電機的高性能、高速度應用領域

改變觀念

    如果能將閉環(huán)伺服技術優(yōu)勢適用于步進電機，那么效果會如何呢？我們是否能在實現(xiàn)步進電機成本優(yōu)勢的同時，達到與伺服電機相仿的性能呢？

    通過結合閉環(huán)控制技術，步進電機將會成為一個同時具備伺服和步進電機優(yōu)點的低成本的綜合性產品。因為閉環(huán)步進電機能夠顯著提高性能和能效，所以可以在越來越多的高標準應用中取代更昂貴的伺服電機。

    高創(chuàng)（Servotronix）在其stepIM綜合步進電機中嵌入了閉環(huán)控制功能。

圖6.Servotronix采用閉環(huán)控制的stepIM產品

    經過集成電子控制后的步進電機相當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。采用一個單圈絕對式編碼器實現(xiàn)閉環(huán)換向，從而確?？梢栽谌魏嗡俣认逻_到最佳轉矩。在這方面，我們可以考慮stepIM產品。

低能耗以及保持冷卻狀態(tài)

    StepIM步進電機具有高能效。與始終按照全電流指令操作的開環(huán)步進電機會導致發(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的，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更低，所以stepIM步進電機可以實現(xiàn)與伺服電機相仿的更高峰值轉矩。

圖7.即使在高速度下，StepIM步進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矩來克服干擾和避免失步，開環(huán)步進電機通常要保證轉矩至少比應用所需的數(shù)值高40%。閉環(huán)stepIM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(tài)時，它們會繼續(xù)保持負載狀態(tài)，不會失去轉矩。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，都可以保證最大轉矩，同時通過位置傳感器來確保不會失步。因此，閉環(huán)步進電機的規(guī)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(huán)步進電機，因為有失步的風險，所以難以滿足較高的瞬態(tài)轉矩需求。stepIM閉環(huán)步進電機可以實現(xiàn)很快的加速，運行噪音更低，并且共振比傳統(tǒng)步進電機更小。它們可以在更高的帶寬下操作，并實現(xiàn)出色的性能。

無柜機器

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

圖8.將電子設備與步進電機集成在一起，可以降低復雜度

    下面我們研究了在一種木材切割應用中的運動控制性能，這種應用一般采用伺服電機來進行，不過現(xiàn)在則用stepIM閉環(huán)步進電機來實現(xiàn)。（以下是我們研究過的一個木材切割應用案例，要達到該應用要求的運動控制性能，通常是采用伺服電機來實現(xiàn)的，現(xiàn)在我們使用StepIM閉環(huán)步進電機來實現(xiàn)。）

在高精度木材切割機器中的閉環(huán)步進電機

    一家全球工業(yè)自動化企業(yè)每年都要制造和銷售數(shù)百臺制造木質窗框的精密數(shù)控機床。該應用需要實現(xiàn)精確的同步化和高轉矩，每臺機器大約需要20-30個氣動和電子伺服電機。伺服電機的成本使得系統(tǒng)整體成本顯著增加。

圖9.木質窗框的加工過程

    因為伺服設備成本較高，所以會顯著增加每臺機器的整體成本。另外，因為單體式機柜安裝伺服編碼器需要大量額外的連線，所以增加了安裝時間以及維護復雜度。

    在了解到關于高創(chuàng)（Servotronix）閉環(huán)步進電機stepIM的信息后，公司迫切希望確定它們是否適用于這些木材加工機器。

    開發(fā)部主管說：“為了確保我們的高端機器在全球范圍內具有競爭力，成本已經成為一個重要因素。不過，我們在任何情況下都不能影響性能、精度、和可靠性。”

    如果使用較低成本的閉環(huán)步進電機能夠實現(xiàn)性能目標，那么公司會用它們來取代更昂貴的伺服電機，從而在市場競爭中獲取優(yōu)勢。

    公司推出了一個試點項目，用高創(chuàng)（Servotronix）的stepIM步進電機來取代一臺機器上的伺服電機。除了電機以外其他設置保持不變-運動控制器和通信協(xié)議（CANopen）都與原來一樣。

    另外，因為stepIM與驅動控制板集成在一起，所需的連線更少，所以同時也達到了明顯的簡化效果。在連線減少的情況下，設置和維護速度更快，更加容易。

    僅過了幾個月后，在高創(chuàng)（Servotronix）提供出色技術支持的情況下，公司能夠建造自己的步進型機器，其性能與標準伺服機器相仿。

    在實現(xiàn)項目目標后，項目經理非常高興：“我們可以用stepIM產品取代目標機器上的伺服電機。雖然我們還需要編寫一些軟件并進行一些初步的測試，但是我們在幾個月內就達到了預期的目標。”

    接下來要確定采用步進電機的機器是否能達到精度、加速度、能耗、和其他關鍵性能指標。

    在經過了為期一個月的試驗后，公司確定：采用閉環(huán)步進電機的機器不僅滿足了所有規(guī)格和機器性能要求，而且還將每臺機器的復雜度和切割成本降低了5%以上。公司現(xiàn)在已經開始在300臺新機器上采用stepIM。

新的機遇

    閉環(huán)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stepIM步進電機能夠用于過去以更昂貴伺服電機為主的領域。stepIM閉環(huán)伺服電機很適合多軸應用，負載變化的定位任務，以及要求安靜操作（運行安靜）、短穩(wěn)定時間(整定時間短)和精確定位的其他應用。

    目前，高創(chuàng)（Servotronix）的stepIM閉環(huán)步進電機已經用于木材加工、醫(yī)療、印刷、牙科研磨、太陽能、以及眾多其他高標準應用領域，這些以往都是伺服電機的專屬應用領域。