专业横评伺服、步进、变频三大控制系统

  工业机器人周边运动控制部分主要有伺服控制、步进控制、变频控制三大部分，下面让我们来一一解答这些控制要点。

  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作比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

  伺服系统是以位置和角度为控制量的控制管理系统的总称，与位置和角度相关联的速度、角速度、加速度、力等为控制量的系统也包含在伺服系统内。

  步进电机是一种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个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。能够最终靠控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以经过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，大范围的应用于各种开环控制。

  现在很常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

  ●永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

  ●反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制造成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

  ●混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

  a. 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。b.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数 。

  d. 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以 及机械误差造成的）。

  e. 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

  d. 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

  e. 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

  f. 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性 。

  2. 静力矩的选择：静力矩选择的依据是电机工作的负载 ，正常的情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好 。

  3. 电流的选择：由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。

  4. 步进电机低速时可以正常运作,但若高于 一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

  五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证 ，对于带标准2500线编码器的电机而言，其脉冲当量为360°/10000=0.036°，伺服电机精度要比步进马达高。

  步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不可能会出现振动现象。

  步进电机的控制为开环控制，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，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动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，正常情况下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。

  步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合

  步进电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，交流伺服电机为恒力矩输出。

  综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制管理系统的设计过程中要考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

  变频器是能够简单、自由地改变交流电机转速的一种控制装置。改变交流电机转速的方法如下。

  大量使用的是二极管桥整流器，如图1 所示，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，能够直接进行再生运转。

  在整流器整流后的直流电压中，含有电源6 倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感，采用简单的平波回路。

  同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6 个开关器件导通、关断就能够获得3 相交流输出。

  异步电动机在再生制动区域使用时(转差率为负)，再生能量存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统(含电动机)惯量积累的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路(开关和电阻)把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

  变频器和交流电机构成的可调速传动称为变频器传动，其功能用途如下。其中可能互为关连，实际上无明确分类，此表仅作参考。