原理

步進(jìn)電機作為控制用的特種電機，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(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)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進(jìn)角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，改變繞組的通電順序，電機就會反轉(zhuǎn)。

驅(qū)動器原理

步進(jìn)電機需要使用專用的步進(jìn)電機驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。功率驅(qū)動單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進(jìn)電機直接耦合，屬于步進(jìn)電機與微控制器的功率接口。

控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應(yīng)的脈沖發(fā)生控制單元對應(yīng)生成一組相應(yīng)相數(shù)的脈沖，經(jīng)過功率驅(qū)動單元后送到步進(jìn)電機，步進(jìn)電機在對應(yīng)方向上轉(zhuǎn)過一個步距角。 驅(qū)動器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進(jìn)電機運行方式，如下：

（1）m相單m拍運行

（2）m相雙m拍運行

（3）m相單、雙m拍運行

（4）細(xì)分驅(qū)動，需要驅(qū)動器給出不同幅值的驅(qū)動信號

步進(jìn)電機有一些重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，如最大靜轉(zhuǎn)矩、起動頻率、運行頻率等。一般來說步距角越小，電機最大靜轉(zhuǎn)矩越大，則起動頻率和運行頻率越高，所以運行方式中強調(diào)了細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，該方式提高了步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動力矩和分辨率，完全消除了電機的低頻振蕩。所以細(xì)分驅(qū)動器驅(qū)動性能優(yōu)與其他類型驅(qū)動器。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。

▌伺服電機

伺服電機原理

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。

伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了閉環(huán)，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位。

在性能上比較，交流伺服電機要優(yōu)于直流伺服電機，交流伺服電機采用正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小，容量可以比較大。直流伺服電機采用梯形波控制，相對差一些。直流伺服電機中無刷伺服電機比有刷伺服電機要性能要好。

伺服電機驅(qū)動器

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。

有刷直流伺服電機驅(qū)動器：電動機的工作原理和普通的直流電機完全相同，驅(qū)動器為三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)的輸出控制電機的電樞電壓，電流環(huán)的輸入為速度環(huán)PID的輸出，速度環(huán)的輸入為位置環(huán)的PID輸出，位置環(huán)的輸入即是給定輸入，控制原理圖如上圖。

無刷直流伺服電機驅(qū)動器：供電電源為直流，經(jīng)過內(nèi)部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電，供給電動機，驅(qū)動器同樣采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），驅(qū)動控制原理同上。

交流伺服電機驅(qū)動器：大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊，控制板通過相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。

功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機，簡單的說是AC-DC-AC的變流過程。

控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。

▌伺服電機與步進(jìn)電機的性能比較

控制精度：步進(jìn)電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高；

低頻特性：步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；

矩頻特性：步進(jìn)電機輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，高速時會急劇下降，伺服電機在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速上為恒功率輸出；

過載能力：步進(jìn)電機不具備過載能力，伺服電機有較強的過載能力；

運行性能：步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠；

速度響應(yīng)性能：步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。