在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)之間做出絕對(duì)的選擇是不明智的，只能使設(shè)計(jì)人員受到局限。應(yīng)該了解每種電機(jī)在什么情況下能夠發(fā)揮最佳作用，以把技術(shù)的最大效用帶到下一個(gè)項(xiàng)目中。
對(duì)于當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用而言，伺服電機(jī)明顯是一個(gè)好的選擇，步進(jìn)電機(jī)亦然。此外，比起前些年，步進(jìn)電機(jī)不僅價(jià)格降低了，而且比以前更易于選型、安裝和操作。可是，在這些方面，伺服電機(jī)也有同樣發(fā)展。今天，對(duì)于“步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)比較”問(wèn)題的看法與從前一樣模糊不清。兩種電機(jī)利用了基本相同的技術(shù)發(fā)展并且以幾乎相同的速度進(jìn)步。與五年前相比，步進(jìn)電機(jī)更好地滿足了步進(jìn)應(yīng)用，伺服電機(jī)也同樣更好地滿足了伺服應(yīng)用。
控制器改進(jìn)
受益于技術(shù)發(fā)展特別多的一個(gè)領(lǐng)域是運(yùn)動(dòng)控制器。受到電子革命的推動(dòng)，既能夠運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)又能夠運(yùn)行伺服電機(jī)的裝置幾乎在所有方面都變得更好了。最大的改進(jìn)是在如Microsoft Windows等公用平臺(tái)上運(yùn)行的易于使用的接口的開(kāi)發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)接口和平臺(tái)節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用，簡(jiǎn)化了安裝、編程和故障排除。
圖1 永磁伺服電機(jī)有直流電刷和無(wú)刷兩種形式。有刷形式需要的控制器比無(wú)刷形式需要的復(fù)雜程度低，常常用于低功率應(yīng)用，無(wú)刷直流伺服電機(jī)(交流永磁型)需要復(fù)雜的電子電路用于通信。其繞組靠近電機(jī)外殼的外部，有助于冷卻。由于沒(méi)有電刷摩擦和電刷壓降，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較小，更加高效、可靠
由于采用固態(tài)開(kāi)關(guān)和智能電源模塊，控制器也變得更小、功效更大。現(xiàn)在的電源開(kāi)關(guān)裝置降低了電壓降和開(kāi)關(guān)損耗，母線電壓在565～680 VDC范圍內(nèi)具有額外的實(shí)用性，非常高效，常常能以較小的成套設(shè)備向電機(jī)傳送兩倍以上的功率。目前，智能模塊是如此靈活和堅(jiān)固，有些制造商甚至把它們放在電機(jī)外殼內(nèi)部。通過(guò)附加的智能功能，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制器還提供多種反饋選項(xiàng)和控制戰(zhàn)略，而且它們比以前結(jié)合了更多的功能。比如，通信板正在成為標(biāo)準(zhǔn)配置，在控制器和智能傳動(dòng)裝置上實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)— SynqJSct、Signet、Sercos、CanOpen、Profibus、DeviceNet、以太網(wǎng)。
有關(guān)的趨勢(shì)是PC與PLC體系結(jié)構(gòu)集成。在迅速發(fā)展的運(yùn)動(dòng)控制器中，“計(jì)算機(jī)”就集成在其中。在其他應(yīng)用中，相反的做法更有意義：運(yùn)動(dòng)控制器嵌在機(jī)器控制器、PC和PLC中。無(wú)論以何種方式，機(jī)器和運(yùn)動(dòng)控制器之間長(zhǎng)期存在的界限迅速縮小。對(duì)于設(shè)計(jì)人員，這真是個(gè)好消息，但是有一點(diǎn)必須說(shuō)明，以防止誤解。比起典型的機(jī)器使用壽命，電子技術(shù)的使用壽命提高更快。因此，任何不易于升級(jí)的機(jī)器都會(huì)相當(dāng)快地被淘汰。計(jì)算機(jī)硬件和軟件工程師避易就難地解決了這個(gè)問(wèn)題：今天幾乎每個(gè)電子元件，都必須向后兼容，尤其是在工業(yè)機(jī)械中。
磁性材料
與控制器一樣，磁性材料在過(guò)去幾年里也有了很大改進(jìn)。更好的處理以及材料組成使稀土磁體具有更大的熱容量，使供貨商能夠以較低的成本生產(chǎn)更高功率的電機(jī)磁體。電機(jī)中的透過(guò)效應(yīng)意味著今天的大功率伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)比其以前的型號(hào)價(jià)格更合理。
圖2 一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)與電阻串聯(lián)的感應(yīng)器，因此，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流的增加需要時(shí)間，該時(shí)間常數(shù)限制了在任何給定電壓的速度，所以在給定的應(yīng)用中，可能需要較高的電壓以提高電機(jī)的速度
此外，對(duì)于給定的實(shí)際機(jī)架規(guī)格，由于制造工藝提高，制造商可以安裝比以前更多的繞組。這樣電機(jī)能夠產(chǎn)生（以及消除）更多熱量，而不使磁體性能劣化。對(duì)于給定的效率，在相同的空間里更多的散熱相當(dāng)于更大的功率和轉(zhuǎn)矩密度。
電機(jī)中最常使用的磁性材料包括釹(釹鐵硼化物)、釤鈷、鐵素體和磁鋼(鋁鎳鈷合金)。它們各有各的優(yōu)點(diǎn)，但前兩種能夠產(chǎn)生更高能量的磁體，生產(chǎn)更高效、更大功率的電機(jī)。實(shí)際上釹提供最高的能量，目前可以在溫度180℃以下的電機(jī)中使用。由于釹粉價(jià)格降低，并且由于磁體制造商采用了替代(注壓成型) 制造工藝，這種材料的性能會(huì)有很大改進(jìn)。
但是，在現(xiàn)有的電機(jī)設(shè)計(jì)中采用高能量密度磁體并非沒(méi)有缺點(diǎn)。這樣的磁體通常會(huì)增加鐵中的磁通密度，使外殼和電樞疊片飽和，增加鐵損。為了避免這個(gè)問(wèn)題，許多制造商正在設(shè)計(jì)新的電機(jī)系列，減少電流汲取，提高工藝效率。避免飽和是關(guān)鍵，因?yàn)橐坏╄F芯飽和，更大電流通常意味著只有用更多熱量和更低效率來(lái)實(shí)現(xiàn)給定的輸出。
更高功率的步進(jìn)電機(jī)
使用步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)總是一個(gè)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況來(lái)確定的問(wèn)題。盡管根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)和舒適程度做出決策是很自然的，但是針對(duì)適當(dāng)?shù)墓ぷ鬟x擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)（無(wú)論是步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)），是更明智的做法。
一般而言，如果應(yīng)用需要高生產(chǎn)能力，高速性能或高帶寬以便進(jìn)行干擾校正，比如在機(jī)器主軸中，則應(yīng)選擇伺服電機(jī)。如果性能和速度要求一般，在副軸中，比如機(jī)器調(diào)整和設(shè)置，則步進(jìn)電機(jī)常常是更好的選擇。對(duì)于副軸，步進(jìn)電機(jī)是理想的選擇，因?yàn)樗鼈兏子谠O(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)中而且操作費(fèi)用低。在大多數(shù)情況下，步進(jìn)電機(jī)不需要微調(diào)或反饋電路。由于其簡(jiǎn)單性，它們也更不易于發(fā)生故障。
現(xiàn)代步進(jìn)電機(jī)還能比其前幾代產(chǎn)品產(chǎn)生更高的功率。一個(gè)原因在于微處理器目前可以位于步進(jìn)電機(jī)外殼內(nèi)，嚴(yán)格控制電流。轉(zhuǎn)子直徑增加是另一個(gè)原因，配備“超大尺寸”轉(zhuǎn)子的步進(jìn)電機(jī)每單位體積產(chǎn)生更大轉(zhuǎn)矩，以及更高的慣量。10：1負(fù)載與轉(zhuǎn)子慣性比對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的尺寸確定是一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則，這也擴(kuò)大了適合特定機(jī)架規(guī)格的應(yīng)用范圍。改善步進(jìn)電機(jī)性能的其他因素包括內(nèi)置反饋、微步進(jìn)以及移動(dòng)結(jié)束阻尼。盡管大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)是極其精確的開(kāi)環(huán)運(yùn)行，內(nèi)置反饋提供額外的精確性。微步進(jìn)是一種減少步長(zhǎng)的工藝，在低速下產(chǎn)生較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，在高速下產(chǎn)生更高的分辨率。移動(dòng)結(jié)束阻尼正如它的名稱所暗示的，減少穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)使精度最大化。
現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)可能還使用外部反饋，但與前幾年相比，原因是不同的。有一個(gè)時(shí)期用過(guò)編碼器，通過(guò)保持電流脈沖與軸交角同步幫助控制器避免失速。今天，這通常是不必要的，因?yàn)橛羞\(yùn)動(dòng)電子裝置處理“失速檢測(cè)”。在使用反饋的地方，它有助于校正由于其他元件造成的未對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，比如定位表中的誤差。也就是說(shuō)，需要反饋的許多步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用開(kāi)始接近伺服系統(tǒng)的費(fèi)用，在這種情況下，兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均應(yīng)考慮。
加大功率的伺服電機(jī)
比起步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：它們可以在廣泛的速度范圍上產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，而且是以小型成套裝置完成的。在過(guò)去幾年里，它們的價(jià)格也有了大幅度降低，主要是由于大量生產(chǎn)。
圖5 無(wú)刷直流電機(jī)常常使用霍耳效應(yīng)傳感器，在正弦整流運(yùn)動(dòng)中，加電時(shí)使用霍耳傳感器反饋以便在基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字編碼器反饋轉(zhuǎn)換到正弦整流之前測(cè)定整流順序，在六步傳動(dòng)裝置中，霍耳傳感器反饋單獨(dú)測(cè)定整流
長(zhǎng)期以來(lái)，微調(diào)問(wèn)題曾經(jīng)是困擾伺服電機(jī)用戶的一大難題。實(shí)際上，有些伺服系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行微調(diào)并適應(yīng)任何機(jī)械系統(tǒng)而不降低性能。盡管伺服電機(jī)設(shè)計(jì)為高速運(yùn)行，在精確控制下，它們也可以在極低的速度下運(yùn)行，甚至低至0r/min。然而，在精度不成問(wèn)題的地方，對(duì)于低速應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)通常是更經(jīng)濟(jì)的解決方案。一般而言，“低速”指低于1000 r/min。高于1000 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降，這是由于能量損失以及磁路時(shí)間常數(shù)的原因。相比之下，有類似轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)在達(dá)到約2500～3000 r/min或以上之前轉(zhuǎn)矩不會(huì)下降。
其他因素，比如功率、轉(zhuǎn)矩和重復(fù)性決定在1000～3000 r/min之間的速度范圍內(nèi)使用何種電機(jī)，如1.5kW（2hp）以上時(shí)，通常使用無(wú)刷伺服電機(jī)；1.5kW（2hp）以下時(shí)，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)性能趨向于重疊。在低速時(shí)，失速期間，或者保持負(fù)載時(shí)，對(duì)于給定的機(jī)架規(guī)格，步進(jìn)電機(jī)（配備超大尺寸轉(zhuǎn)子）比伺服電機(jī)能夠產(chǎn)生更高轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩使步進(jìn)電機(jī)在沒(méi)有齒輪箱或其他機(jī)械增益的情況下產(chǎn)生極其精確和剛性的低速運(yùn)動(dòng)。
在步進(jìn)電機(jī)靜止時(shí)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。相比之下，啟用時(shí)，由于不斷的閉環(huán)誤差校正，伺服電機(jī)從來(lái)不靜止。伺服電機(jī)的這種“高頻振動(dòng)”通常相當(dāng)于不超過(guò)幾個(gè)反饋計(jì)數(shù)，盡管在大多數(shù)應(yīng)用中不易察覺(jué)，在另一些應(yīng)用中卻是絕對(duì)不可接受的。在重復(fù)性和分辨率被重視的地方，傳統(tǒng)上伺服電機(jī)的領(lǐng)域，現(xiàn)在可以考慮步進(jìn)電機(jī)了。要求負(fù)載必須是可預(yù)測(cè)的，或者只受到小外力的影響。此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)（開(kāi)環(huán)運(yùn)行）比相當(dāng)?shù)乃欧姍C(jī)解決方案可以節(jié)省30%。
