如何在步进和伺服电机之间进行选择

对于许多运动控制应用，设计者和工程师可以在伺服或步进运动控制系统之间进行选择。这一决定的大部分是由电机驱动的，因此本文将专注于该组件，虽然控制器和驱动器也参加了评估。使得正确的选择具有长期利益，积极影响生产效率和总体生命周期成本，同时使错误的选择可以导致性能和维护问题。

步进器和伺服运动控制系统之间的基本差异是电动机的类型以及它是如何控制的。步进和伺服电机具有通过永磁体通电的多个磁极，或通过通过绕组的线圈进给电流。

步进电机是没有换向器的电动电动机，一种多极无刷直流电动机，可以划分全旋转，通常为50到100个相等的步骤。可以命令电机的位置以在这些步骤中的任何一个中移动和保持，而无需反馈传感器，例如编码器。虽然步进电机可以逐步准确地在它们的多个极之间移动，但是可以添加编码器以进行更精确定位。

典型的伺服电机有4到12个杆，并且很少有极点需要反馈以跟踪其位置。伺服电动机与编码器和复杂的控制器耦合，允许控制角度或线性位置，速度和加速度。通过使用称为脉冲宽度调制（PWM）的技术发送可变宽度的电脉冲来控制伺服电动机。

设计要求

通过回答这些问题来了解应用程序要求是在步进和伺服运动控制系统之间进行设计选择的第一步：

载荷有多沉重，以及速度如何？
扭矩要求？
是否需要扭矩限制？
是否需要扭矩？
需要定位解决方案？
运行速度？
在整个移动过程中加载是否会发生变化？

一旦回答了这些问题，以下设计考虑就会有助于指导决定。

设计考虑因素

该表比较了伺服和脚步的一些主要特征。

表：伺服和步进功能

特色	伺服	步进
职位反馈	必要	可选
扭矩vs速度	常数	改变
保持扭矩	不	是的
扭矩控制	是的	不
需要调整	是的	不
支持动态载荷	是的	不
低速光滑度	好	优秀
编程	复杂	简单
尺寸	较大	较小

位置反馈 - 伺服系统运行闭环，因此位置反馈是必需的。步进系统运行开环，其中位置命令在其中一个步骤中移动和保持，而无需任何反馈。可以将增量或多匝绝对编码器添加到步进电机应用中，以便需要更精确定位。

扭矩与速度 - 负载的重量和需要移动的速度有助于确定扭矩要求。如图1所示，伺服电动机在其速度范围内具有恒定的扭矩，而步进电机的扭矩低速且高速较低。

图1，扭矩曲线，由AMCI提供。步进电机的扭矩高于伺服电机，直到速度达到约1,200至1,500转。

保持扭矩 - 保持扭矩是当绕组通电时使电动机移动一个完整步骤所需的扭矩量，但转子是静止的。步进电机扭矩通常以每英寸盎司测量。步进保持扭矩可以通过静止电机的电流量（空转电流）的量来调节。在100％空转电流下，可以从电动机预期完全扭矩。伺服电机没有这种功能，与步进电机相比，在低速下为其下扭矩的因素之一。定位电动机轴可能在休息时经历轻微旋转力的应用需要保持扭矩。典型的应用需要由步进电机提供的保持扭矩包括相机，转向栅极和垂直载荷定位。

扭矩控制 - 与步进电机相比，伺服电机的电流控制是更复杂的，该电流通过伺服电机的调节有助于调节扭矩。这使伺服电机适用于必须管理扭矩的应用，例如Web控制。

调整所需 - 伺服系统需要调整，可以控制相当复杂。例如，如果负载以非常慢的速度运行，则可能在没有适当调谐的情况下发生大量振荡。步进电机的直接控制不需要调谐，导致更简单的控制。

支持动态负载 - 伺服电机可以支持动态负载，因此如果预期负载增加，伺服可以响应峰值扭矩。步进电机没有此功能。

动态负载应用程序的重量通常会改变，并且无法预测地受益于伺服电机。输送机移动可变重量产品是一个很好的例子。

低速光滑度 - 步进电机具有优异的低速平滑度，具有微步进等功能，可提供精确的速度变化，而不会使用伺服系统发现漂移和狩猎。需要低速平滑度的应用包括泵，视频扫描仪，光学测量系统和低速输送机。

编程 - 设计师和工程师经常受到编程伺服系统的复杂性的挑战。相比之下，步进系统编程更简单，通过消除隐秘编码来减少所需的设计工作。这使得能够在各种应用中快速实现。集成的PLC和步进运动控制系统使用嵌入在PLC编程软件中的用户定义的宏指令简化了应用程序，配置有拖放命令，以执行多个轴的控制，通常最多12（图2）。