摘要：電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)較普通電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、控制精度更高。這種驅(qū)動(dòng)方式被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī) 自動(dòng)化控制 控制精度

在目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電動(dòng)機(jī)也越來越多地應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。

一、控制精度不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度由步距角和驅(qū)動(dòng)器細(xì)分保證，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度由電動(dòng)機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

二、低頻特性不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在著低頻振動(dòng)區(qū)。低頻振動(dòng)頻率與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、步距角、負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)。一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電動(dòng)機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電動(dòng)機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

三、矩頻特性不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600

r／min。交流伺服電動(dòng)機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000r／min或3000r／min）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

五、運(yùn)行性能不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，高速運(yùn)行時(shí)停止易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)升、降速特性是保證其控制精度的重要指標(biāo)。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，由于伺服系統(tǒng)控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

六、速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000r／min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

由此可以看出，伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

一是實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步問題；

二是伺服電動(dòng)機(jī)高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000r／min；

三是伺服電動(dòng)機(jī)過載能力強(qiáng)，能承受3倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，特別適用于對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速啟動(dòng)的場(chǎng)合；

四是伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，在低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象，適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；

五是伺服電動(dòng)機(jī)加、減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；

六是伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和噪聲明顯低于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

（作者單位：淄博市技師學(xué)院）