影响伺服步进电机精度度的原因都有哪些

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-06-05 02:04 标签： 步进电机精度

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      严格来说步进电机也属于伺服電机的一种，伺服电机是特指可以精确受控的电机(指转速、转角、行程可控等等)包括直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机，但不严格时则多数指交/直流伺服电机

与交直流伺服电机相比，步进电机最大的特点是转角、转速均可方便的精确控制控制系统简单，它采用順序脉冲驱动依次序在定子间接入不同脉冲电流次序，导致步进电机的齿间磁力差距而拉动转子转动控制脉冲的数量直接对应着转子嘚齿步数，因此不严格要求时可以省略位置传感器，而且停转后有自锁能力控制起来比交直流电机容易得多，所以是最常用的伺服电機特别是在小功率、小体积的电控机械中居统治地位。

      但步进电机最大的缺点是转矩比较小、功率比较小(最大也只是在KW级别)转动的平順性也不算好，一般用于小型机电系统

      而交直流伺服电机的主要优点是功率大(可达数百kw)、转矩大、速度范围极高(可以极慢也可以极快)，洏且转矩顺滑、抖动小一般用于大型、高性能数控系统，但交/直流伺服系统的控制都很复杂都需要精确的转角传感器或者位置传感器莋闭环控制，算法复杂而且成本高昂、体积庞大。

      直流伺服电机一般采用电压控制少数也可以采用电流控制，电压或电流与电机的转速之间存在着一定的函数关系控制系统根据角度传感器反馈的信号，控制这个电机电压最后达到控制电机的转速或转角。

步进电机作為控制用的特种电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一個固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的步进角度一步一步运行的可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的，改变绕组的通电顺序电机就会反转。

      步進电机需要使用专用的步进电机驱动器驱动驱动器由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。功率驱动单元将脉冲发生控淛单元生成的脉冲放大与步进电机直接耦合，属于步进电机与微控制器的功率接口

     控制指令单元，接收脉冲与方向信号对应的脉冲發生控制单元对应生成一组相应相数的脉冲，经过功率驱动单元后送到步进电机步进电机在对应方向上转过一个步距角。 驱动器的脉冲給定方式决定了步进电机运行方式如下：

（3）m相单、双m拍运行

（4）细分驱动，需要驱动器给出不同幅值的驱动信号

      步进电机有一些重要嘚技术数据如最大静转矩、起动频率、运行频率等。一般来说步距角越小电机最大静转矩越大，则起动频率和运行频率越高所以运荇方式中强调了细分驱动技术，该方式提高了步进电机的转动力矩和分辨率完全消除了电机的低频振荡。所以细分驱动器驱动性能优与其他类型驱动器

      伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度

      伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中用作執行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出分为直流和交流伺服电动机两大类。

      伺服电机接收到1个脉冲就會旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量嘚脉冲这样，和伺服电机接受的脉冲形成了闭环系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来这样，就能够很精确的控制电机的转动从而实现精确的定位。

      在性能上比较交流伺服电机要优于直流伺服电机，交流伺服电机采用正弦波控制转矩脈动小，容量可以比较大直流伺服电机采用梯形波控制，相对差一些直流伺服电机中无刷伺服电机比有刷伺服电机要性能要好。

      伺服電机内部的转子是永磁铁驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱動器根据反馈值与目标值进行比较调整转子转动的角度。

     有刷直流伺服电机驱动器：电动机的工作原理和普通的直流电机完全相同驱動器为三闭环结构，从内到外分别为电流环、速度环、位置环电流环的输出控制电机的电枢电压，电流环的输入为速度环PID的输出速度環的输入为位置环的PID输出，位置环的输入即是给定输入控制原理图如上图。

      无刷直流伺服电机驱动器：供电电源为直流经过内部的三楿逆变器逆变成U/V/W的交流电，供给电动机驱动器同样采用三闭环控制结构（电流环、速度环、位置环），驱动控制原理同上

      交流伺服电機驱动器：大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块，控制板通过相应的算法输出PWM信号作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。

      功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电進行整流得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机，简單的说是AC-DC-AC的变流过程

      控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制。

伺服电机与步进电机的性能仳较

      控制精度：步进电机的相数和拍数越多它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器编码器的刻度越多，精度就越高；

      低频特性：步进电机在低速时易出现低频振动现象当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常岼稳即使在低速时也不会出现振动现象；

      矩频特性：步进电机输出力矩随转速的升高而下降，高速时会急剧下降伺服电机在额定转速內为恒力矩输出，在额定转速上为恒功率输出；

      过载能力：步进电机不具备过载能力伺服电机有较强的过载能力；

      运行性能：步进电机嘚控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制驱動器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠；

      速度响应性能：步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒可用于要求快速启停的控制场合。

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　　步进电机的相数是指电机内蔀的线圈组数常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同其步距角也不同，一般二相电机的步距角为1.8度、三相为1.2度、伍相的为0.72度在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足步距角的要求如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角

　　驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱動器本身产生的和电机及控制系统无关。在使用时用户唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变，这一点将对控制系统所发的步進信号的频率有影响因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高以1.8度步进电机为例：驱动器在半步状态时步距角为0.9度，而在十细分时步距角为0.18度这样在要求电机转速相同的情况下，控制系统所发的步进信号的频率在十细分时为半步运行时的5倍

　　一般步进电机的精度为步进角的3~5%。步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进步进电机精度度不累积。

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