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步进电机能替代⾼成本伺服电机吗？
来源:来源互联⽹，侵删 | 作者:降魔神兵 | 发布时间: 2019-12-31 | 395 次浏览 | 分享到:
步进电机能替代⾼成本伺服电机吗？
在越来越多的⾼标准⼯业⾃动化应⽤领域，技术的进步正在改变步进电机和伺服电机之间的性能-成本⽐。
在采⽤了闭环技术后，闭环步进电机为⽤⼾提供出⾊的精度和效率，既能达到伺服电机的性能，⼜具有步进电机的低价优势。成本更低的步进电机正在逐渐渗透到原本被⾼成本伺服电机所⽀配的应⽤领域。
步进电机与伺服电机之对⽐
根据传统的观念，在需要速度超过800 RPM以及需要⾼动态响应的应⽤中，伺服控制系统性能更为出⾊。步进电机则更适合⽤于速度较低、低到中等加速度、需要较⾼保持转矩的应⽤。 
那么这种关于步进电机和伺服电机的传统观念的依据是什么呢？下⾯让我们来详细分析下。
1 结     构
步 进 电 机 采 ⽤ 步 进 ⽅ 式 转动，利⽤磁线圈逐步拉动⼀个磁体，使其从⼀个位置到达下⼀个位置。要使电机在任何⽅向移动100个位置，电路都需要对电机进⾏100次步进操作。步进电机利⽤脉冲实现递增运动，可以在不使⽤任何反馈传感器的情况下实现精确定位。
伺服电机的运动⽅法是不同的。它在磁转⼦上连接⼀个位置传感器– 即编码器 – 会持续检测电机的准确位置。伺服会监控电机实际位置和指令位置之间的差异，并对电流进⾏相应的调整。这种闭环系统可以使电机保持在正确的运动状态。

2 简便性和成本
步进电机不仅⽐伺服电机成本低，⽽且调试和维护都更加简单。步进电机在静⽌状态是稳定的，并能保持位置（即使是采⽤动态负载）。不过，如果某些应⽤场合有更⾼的性能要求，则必须采⽤更昂贵、更复杂的伺服电机。

3 定      位
在需要随时了解机器准确位置的应⽤中，步进电机和伺服电机有重要差别。在通过步进电机控制的开环运动应⽤中，控制系统认为电机始终处于正确的运动状态。不过，在遇到问题以后，⽐如因为部件卡住⽽导致电机失速，控制器就⽆法了解机器的实际位置，从⽽导致失位。伺服电机本⾝的闭环系统具有⼀个优势：如果其被⼀个物体卡住，会⽴刻检测到。机器会停⽌操作，始终不会失位。 

4 速度和转矩
步进电机和伺服电机的性能差异源⾃他们不同的电机设计⽅案。步进电机的极数⽐伺服电机多得多，因此步进电机旋转⼀整圈，所需的绕组电流交换次数要多得多，从⽽导致在速度增加的情况下，其转矩迅速下降。另外，如果达到了最⼤转矩，步进电机可能会失去速度同步化功能。出于这些原因，在⼤部分⾼速应⽤中，伺服电机都是⾸选⽅案。与此相反，步进电机较多的极数在低速状态下具有优势，因为此时步进电机与同等尺⼨的伺服电机相⽐具有转矩优势。

5 热和能耗
开环步进电机采⽤固定电流，并会散发⼤量热量。闭环控制只提供速度环路所需的电流，因此避免了电机发热问题。

⽐较总结
伺服控制系统最适合涉及到动态负载变化的⾼速应⽤，⽐如机械臂。步进控制系统则更适合需要低到中加速度和⾼保持转矩的应⽤，⽐如3D打印机、传送带、副轴等。因为步进电机成本更低，所以在使⽤之后，可以降低⾃动化系统的成本。运动控制系统如果需要利⽤伺服电机的特性，就必须证明这些成本较⾼的电机物有所值。

在闭环技术进步的推动下，步进电机能够渗透到以前完全属于伺服电机的⾼性能、⾼速度应⽤领域

采⽤闭环技术的步进电机
如果能将闭环伺服技术优势适⽤于步进电机，那么效果会如何呢？
我们是否能在实现步进电机成本优势的同时，达到与伺服电机相仿的性能呢？ 

通过结合闭环控制技术，步进电机将会成为⼀个同时具备伺服和步进电机优点的低成本的综合性产品。因为闭环步进电机能够显著提⾼性能和能效，所以可以在越来越多的⾼标准应⽤中取代更昂贵的伺服电机。  
下⾯我们以嵌⼊了闭环控制功能stepIM综合步进电机为例，解析采⽤闭环技术的步进电机的性能与优劣。 


经过集成电⼦控制后的步进电机相当于⼀个双相⽆刷直流电机，可以执⾏位置环路控制、速度环路控制、DQ控制、以及其他算法。采⽤⼀个单圈绝对式编码器实现闭环换向，从⽽确保可以在任何速度下达到最佳转矩。
低能耗以及保持冷却状态
StepIM步进电机具有⾼能效。与始终按照全电流指令操作的开环步进电机会导致发热和噪⾳问题不同，stepIM的电流会根据运动的实际情况改变，⽐如在加速和减速过程中。与伺服类似，在任何时刻，这些步进电机所消耗的电流都与所需的实际转矩成正⽐。因为电机和集成电⼦控制板运⾏温度更低，所以stepIM步进电机可以实现与伺服电机相仿的更⾼峰值转矩。
即使在⾼速度下，StepIM步进电机所需的电流也更⼩
精确匹配性能要求
为了确保有⾜够的转矩来克服⼲扰和避免失步，开环步进电机通常要保证转矩⾄少⽐应⽤所需的数值⾼40%。闭环stepIM步进电机则不存在这个问题。在这些步进电机因为过载⽽达到失速状态时，它们会继续保持负载状态，不会失去转矩。在消除过载状态后，它们会继续运⾏。在任何指定速度下，都可以保证最⼤转矩，同时通过位置传感器来确保不会失步。因此，闭环步进电机的规格可以精确匹配相关应⽤的转矩要求，不需要额外增加40%的裕度。
对于开环步进电机，因为有失步的⻛险，所以难以满⾜较⾼的瞬态转矩需求。stepIM闭环步进电机可以实现很快的加速，运⾏噪⾳更低，并且共振⽐传统步进电机更⼩。它们可以在更⾼的带宽下操作，并实现出⾊的性能。

⽆柜机器
stepIM将驱动控制板与电机集成在⼀起，减少了连线数量，简化了实施⽅案。 使⽤stepIM，可以建造⽆柜机器。
将电⼦设备与步进电机集成在⼀起，可以降低复杂度

结语
闭环步进电机改变了很多运动控制应⽤中的性能-成本⽐。因为拥有出⾊的精度和能效，所以stepIM步进电机能够⽤于过去以更昂贵伺服电机为主的领域。stepIM闭环进步电机的成功也为让我们看到了⼀种可能——低成本的步进电机替代⾼成本伺服电机。