伺服系统的控制模式及常见问题

步进電(diàn)机作為(wèi)一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有(yǒu)着本质的联系。在目前國(guó)内的数字控制系统中，步进電(diàn)机的应用(yòng)十分(fēn)广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服電(diàn)机也越来越多(duō)地应用(yòng)于数字控制系统中。為(wèi)了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多(duō)采用(yòng)步进電(diàn)机或全数字式交流伺服電(diàn)机作為(wèi)执行電(diàn)动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用(yòng)性能(néng)和应用(yòng)场合上存在着较大的差异。现就二者的使用(yòng)性能(néng)作一比较。

一、控制的精度不同

两相混合式步进電(diàn)机步距角一般為(wèi)1.8°、0.9°，五相混合式步进電(diàn)机步距角一般為(wèi)0.72°、0.36°。也有(yǒu)一些高性能(néng)的步进電(diàn)机通过细分(fēn)后步距角更小(xiǎo)。如山(shān)洋公司(SANYODENKI)生产的二相混合式步进電(diàn)机其步距角可(kě)通过拨码开关设置為(wèi)1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进電(diàn)机的步距角。

交流伺服電(diàn)机的控制精度由電(diàn)机轴后端的旋转编码器保证。以山(shān)洋全数字式交流伺服電(diàn)机為(wèi)例，对于带标准2000線(xiàn)编码器的電(diàn)机而言，由于驱动器内部采用(yòng)了四倍频技术，其脉冲当量為(wèi)360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的電(diàn)机而言，驱动器每接收131072个脉冲電(diàn)机转一圈，即其脉冲当量為(wèi)360°/131072=0.0027466°，是步距角為(wèi)1.8°的步进電(diàn)机的脉冲当量的1/655。

二、 低频特性不同

步进電(diàn)机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能(néng)有(yǒu)关，一般认為(wèi)振动频率為(wèi)電(diàn)机空载起跳频率的一半。这种由步进電(diàn)机的工作原理(lǐ)所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进電(diàn)机工作在低速时，一般应采用(yòng)阻尼技术来克服低频振动现象，比如在電(diàn)机上加阻尼器，或驱动器上采用(yòng)细分(fēn)技术等。

交流伺服電(diàn)机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有(yǒu)共振抑制功能(néng)，可(kě)涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有(yǒu)频率解析机能(néng)(FFT)，可(kě)检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、 矩频特性不同

步进電(diàn)机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其**工作转速一般在300～600RPM。交流伺服電(diàn)机為(wèi)恒力矩输出，即在其额定转速(一般為(wèi)2000RPM或3000RPM)以内，都能(néng)输出额定转矩，在额定转速以上為(wèi)恒功率输出。

四、过载能(néng)力不同

步进電(diàn)机一般不具有(yǒu)过载能(néng)力。交流伺服電(diàn)机具有(yǒu)较强的过载能(néng)力。以山(shān)洋交流伺服系统為(wèi)例，它具有(yǒu)速度过载和转矩过载能(néng)力。其**转矩為(wèi)额定转矩的二到三倍，可(kě)用(yòng)于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进電(diàn)机因為(wèi)没有(yǒu)这种过载能(néng)力，在选型时為(wèi)了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的電(diàn)机，而机器在正常工作期间又(yòu)不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

五、运行性能(néng)不同

步进電(diàn)机的控制為(wèi)开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以為(wèi)保证其控制精度，应处理(lǐ)好升、降速问题。交流伺服驱动系统為(wèi)闭环控制，驱动器可(kě)直接对電(diàn)机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进電(diàn)机的丢步或过冲的现象，控制性能(néng)更為(wèi)可(kě)靠。

六、速度响应性能(néng)不同

步进電(diàn)机从静止加速到工作转速(一般為(wèi)每分(fēn)钟几百转)需要200～400毫秒(miǎo)。交流伺服系统的加速性能(néng)较好，以松下MSMA400W交流伺服電(diàn)机為(wèi)例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒(miǎo)，可(kě)用(yòng)于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多(duō)性能(néng)方面都优于步进電(diàn)机。但在一些要求不高的场合也经常用(yòng)步进電(diàn)机来做执行電(diàn)动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多(duō)方面的因素，选用(yòng)适当的控制電(diàn)机。