伺服电机和步进电机

引言：运动控制的核心任务

在自动化设备中，我们最常做的三件事就是让某个部件：

1. 走到指定位置（定位）
2. 以指定速度运动（调速）
3. 输出指定大小的力（转矩控制）

步进电机和伺服电机就是实现这三件事的主力军。它们都是将电脉冲信号 转换成精确的角位移或线位移的执行机构。

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一、 步进电机 (Stepper Motor) ------ "听话的士兵"

可以把步进电机想象成一个纪律严明、步调一致的士兵方阵。你给一个"向前一步走"的口令，它就不多不少，不多不少地走一步。

1. 工作原理：步进与锁止

• 核心结构 ：主要由定子 和转子构成。

• • 定子：上面缠绕着多组线圈（称为"相"，如两相、三相、五相），通电后会产生磁场。
  • 转子：通常是永磁体或者带有齿状结构的铁芯，它会被定子产生的磁场吸引。

• 工作过程（以两相四拍为例）：

1. 1. 第一步：给A相线圈通正向电流，定子产生一个N-S磁场，转子被吸引到一个稳定的平衡位置。
   2. 第二步：给B相线圈通正向电流，A相断电。定子的磁场旋转了90度，转子为了对齐新的磁场，也跟着旋转了90度。
   3. 第三步：给A相线圈通反向电流，B相断电。磁场又旋转90度，转子再跟转90度。
   4. 第四步：给B相线圈通反向电流，A相断电。磁场再转90度，转子也一样。
   5. 如此循环，通过依次改变定子线圈的通电顺序和方向，定子磁场就在"步进式"地旋转，拉着转子一小步一小步地转动。

• 步距角 ：转子每"走"一步所转过的角度。这是步进电机的核心参数。例如，一个步距角为1.8°的电机，转一圈360°需要 360 / 1.8 = 200 个脉冲。
• 细分 (Micro-stepping) ：上述是"整步"驱动。通过精确控制A相和B相电流的大小（不再是简单的通/断），可以使合成磁场在两个整步位置之间平滑移动，从而让转子走出比整步更小的"碎步"。这就是细分技术，它可以极大提高电机的分辨率和平稳性。例如，16细分就是把一个1.8°的整步分成了16个小步，此时每一步只有 1.8 / 16 = 0.1125°。

2. 控制形式：开环控制

步进电机的控制系统非常简洁，堪称"傻瓜式"控制，这既是优点也是缺点。

• 系统构成 ：控制器 (PLC/单片机) -> 步进驱动器 -> 步进电机
• 控制流程：

1. 1. 控制器发脉冲 ：控制器根据目标位置和速度，发出一定数量和频率的脉冲信号(Pulse)。
   2. 驱动器做翻译 ：步进驱动器接收到脉冲信号后，每接收一个脉冲，就驱动电机转动一个步距角（或细分步距角）。脉冲的数量 决定了电机转动的角度（位置） ，脉冲的频率 决定了电机转动的速度。
   3. 方向信号 ：控制器还会给驱动器一个方向信号(Direction)，一个高低电平，用来决定电机是正转还是反转。

• 开环特性 ：整个过程是"单向命令"，控制器只负责发指令，它并不知道电机是否真的走到了指定位置，它默认电机是100%执行了命令。

3. 优缺点总结

• 优点：

• • 控制简单、成本低：不需要编码器反馈，驱动器便宜。
  • 定位精确：在不失步的情况下，精度仅取决于步距角和细分。
  • 静止时自锁：线圈通电时，有很大的保持转矩，能稳定地停在某个位置。
  • 响应快：启停和反转响应迅速。

• 缺点：

• • 失步 (Losing Steps)：最大的问题！当负载过大或频率过高时，转子跟不上定子磁场的变化，导致"丢步"，位置就不准了。这是开环系统的致命伤。
  • 振动和噪音：低速时，由于步进的本质，会有明显的振动和噪音。
  • 效率低、发热大：无论电机是否转动，只要需要保持位置，线圈就得一直通着大电流，导致电机和驱动器发热严重。
  • 高速性能差：速度越高，转矩下降越快。

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二、 伺服电机 (Servo Motor) ------ "智能的运动员"

伺服电机就像一个有大脑、有眼睛的专业运动员。教练（控制器）给他一个目标（比如跑到100米终点线），他会自己全力奔跑，并用眼睛（编码器）不断地看自己离终点还有多远，然后实时调整自己的速度和力量，直到分毫不差地停在终点线上。

1. 工作原理：闭环反馈

• 核心结构 ：伺服电机本体 + 编码器 (Encoder)。

• • 电机本体：通常是交流永磁同步电机（AC Servo）或直流无刷电机。
  • 编码器：这是伺服系统的"眼睛"，安装在电机轴的末端，实时、高精度地测量电机转了多少圈、转到了什么角度。常见的有增量式编码器和绝对值编码器。

• 工作过程：

1. 1. 接收指令：伺服驱动器接收到控制器发来的目标位置/速度/转矩指令。
   2. 比较偏差 ：驱动器立刻读取编码器反馈的当前实际位置 ，并与目标位置 进行比较，得到一个位置偏差。
   3. PID调节：驱动器内部的PID（比例-积分-微分）控制器会根据这个偏差，以及预设的参数，瞬间计算出需要多大的电流（即多大的力）来驱动电机去消除这个偏差。
   4. 驱动电机：驱动器（本质是个智能化的变频器）输出精确的电压和电流给电机，使其向目标位置转动。
   5. 实时循环 ：这个"接收指令 -> 编码器反馈 -> 比较偏差 -> PID计算 -> 驱动电机"的过程以极高的频率（通常是kHz级别）不断循环，直到偏差为零（或在一个极小的允许范围内）。

2. 控制形式：闭环控制

伺服系统的精髓在于其闭环控制，通常有三种控制模式。

• 系统构成 ：控制器 -> 伺服驱动器 -> 伺服电机（含编码器）
• 三种控制模式：

1. 1. 位置模式 (Position Control)：

• • • 控制方式 ：与步进类似，控制器发送脉冲+方向 信号给驱动器。驱动器内部自己构成一个位置环，它会努力让电机转动的角度与接收到的脉冲数完全匹配。
    • 应用场景：绝大多数的精确定位应用，如机床进给、机器人关节运动等。这是最常用的模式。

1. 1. 速度模式 (Speed Control)：

• • • 控制方式 ：控制器给驱动器一个模拟量电压信号 （如0-10V）或数字量指令 ，来指定目标速度。驱动器内部构成一个速度环，它会控制电机以指定的速度恒速运转，无论负载如何变化（在额定范围内）。
    • 应用场景：需要恒速运行的场合，如传送带、主轴旋转等。

1. 1. 转矩模式 (Torque Control)：

• • • 控制方式 ：控制器给驱动器一个模拟量电压信号 或数字量指令 ，来指定目标输出转矩（力的大小）。驱动器内部构成一个电流环（因为电流与转矩成正比），它会控制电机输出恒定的转矩。
    • 应用场景：对力有精确要求的场合，如拧螺丝（到一定力矩就停）、张力控制（如卷绕薄膜）等。

• 伺服的三环控制 ：伺服驱动器内部的控制是嵌套的三环结构 ：最里面是电流环 （控制转矩），外面是速度环 ，最外面是位置环。位置环的输出是速度环的输入，速度环的输出是电流环的输入。这种结构保证了系统极佳的动态响应和稳定性。

3. 优缺点总结

• 优点：

• • 高精度、无失步：闭环控制从根本上解决了失步问题，定位精度极高，只取决于编码器分辨率。
  • 高速性能好：在额定速度内能保持恒定的转矩，高速响应快。
  • 平稳、噪音小：运行非常平稳，尤其在低速时，几乎没有振动和噪音。
  • 高效率、发热小：电流是按需供给，负载小时电流就小，静态时几乎不耗电，所以效率高、发热少。
  • 过载能力强：通常有2-3倍的瞬时过载能力。

• 缺点：

• • 成本高：电机本体+编码器+驱动器，一套系统的价格是步进的好几倍甚至十几倍。
  • 控制复杂：驱动器参数整定（PID参数调试）比较复杂，需要一定的经验，调不好会产生振荡或响应慢。

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三、 如何选择：步进 vs. 伺服？

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| 特性 | 步进电机 | 伺服电机 | 选择建议 |
| 控制方式 | 开环 | 闭环 | 需要绝对可靠、不容许出错的场合，必须用伺服。 |
| 精度 | 较高（不失步时） | 极高 | 对精度要求苛刻（微米级），用伺服。 |
| 速度性能 | 低速有力，高速力矩下降快 | 高速性能好，恒转矩范围宽 | 需要高速运行或高速启停的，用伺服。 |
| 过载能力 | 无，过载即失步 | 强（2-3倍瞬时过载） | 负载变化大或有冲击负载的，用伺服。 |
| 运行平稳性 | 低速振动、噪音大 | 非常平稳，噪音小 | 对平稳性、噪音有要求的，用伺服。 |
| 成本 | 低 | 高 | 成本是首要考虑因素，且满足上述要求的，用步进。 |
| 调试 | 简单，基本免调试 | 复杂，需要整定PID参数 | 对开发周期要求快，或使用者不具备调试能力的，用步进更省心。 |

简单总结一句话 ：在精度、速度、负载 要求不高，且预算有限的场合，步进电机是性价比之王。而在任何一个方面有较高要求，或者绝对不能失步的场合，就必须选择伺服电机。