詳解步進電機和伺服電機聯(lián)系和區(qū)別

步進電機

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您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，從而達到調(diào)速的目的。

步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。混合式步進電機的應(yīng)用最為廣泛200步進電機與伺服電機333332首次關(guān)注51黑電子論壇及“單片機教程網(wǎng)”官方微信獲得的論壇黑幣獎勵.

步進電機的基本參數(shù)：

1.電機固有步距角

它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG 250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。

通常步進電機步距角β的一般計算按下式計算。

β=360°/（Z·m·K）

式中 β―步進電機的步距角；

Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m―步進電動機的相數(shù)；

K―控制系數(shù)，是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)

2.步進電機的相數(shù)

是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。

3．保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）

是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。

DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。

步進電機主要特性

1. 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。例如步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成。

2. 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。

3. 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等設(shè)備都以步進電機為動力核心。

步進電機驅(qū)動器的特點

它是構(gòu)成步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路：

A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。

C、只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護電路）的驅(qū)動器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。

D、將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

“細分驅(qū)動”概述： 將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細分驅(qū)動，細分是通過驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。

伺服馬達

伺服馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu)

伺服馬達內(nèi)部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。其結(jié)構(gòu)圖如下：

伺服馬達的工作原理

伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖：

減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。

如何控制伺服馬達

標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地、控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。

輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很嚴格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關(guān)系：

伺服馬達的電源引線

電源引線有三條，如圖中所示。伺服馬達三條線中紅色的線是控制線，接到控制芯片上。中間的是SERVO工作電源線，一般工作電源是5V。 第三條是地線。

伺服馬達的運動速度

伺服馬達的瞬時運動速度是由其內(nèi)部的直流馬達和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動下，其數(shù)值唯一。但其平均運動速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，我們可把動作幅度為90o的轉(zhuǎn)動細分為128個停頓點，通過控制每個停頓點的時間長短來實現(xiàn)0o—90o變化的平均速度。對于多數(shù)伺服馬達來說，速度的單位由“度數(shù)/秒”來決定。
使用伺服馬達的注意事項

除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達，否則以上的伺服馬達輸出臂位置只是一個不準確的大約數(shù)。普通的模擬微型伺服馬達不是一個精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大的，在同一脈沖驅(qū)動時，不同的伺服馬達存在±10o的偏差也是正常的。

正因上述的原因，不推薦使用小于1ms及大于2ms的脈沖作為驅(qū)動信號，實際上，伺服馬達的最初設(shè)計表也只是在±45o的范圍。而且，超出此范圍時，脈沖寬度轉(zhuǎn)動角度之間的線性關(guān)系也會變差。要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達輸出位置超過±90o的脈沖信號，否則會損壞伺服馬達的輸出限位機構(gòu)或齒輪組等機械部件。