步进和伺服电机驱动选型应用速成

本文主要针对设备制造商相关人员，如项目经理、机械设计、电气、软件运动控制工程师，讲述步进电机、伺服电机（本文都指永磁同步交流伺服电机）的作用，选用方法及周边配套设施的选配和主要应用经验。

1 步进和伺服电机的各自特点、优缺点介绍

1.1 两种电机在点位控制或调速应用的介绍

步进、伺服电机主要用于精确定位场合，也都可以用于调速应用。步进电机因效率低，一般不做为动力用；因存在一定的转矩脉动，不推荐用于转矩控制。伺服系统则可以做转矩控制，还可考虑取代变频驱动当动力用。

步进电机做调速应用时，控制指令通常用脉冲指令，靠改变脉冲频率来调速。相对变频器调速，有低速力矩大，易于控制启停，加减速时间短的优势（合适的电压及负载条件下，百毫秒级就能达到目标速度）。而且调速范围较宽，在负载惯量比匹配合理的条件下，通常不需要另加减速机构。缺点在于运行噪音相对大一些。

伺服电机做调速应用相对变频调速来说也有加减速时间短的优势，通常可做到几十个毫秒就达到预期速度，调速范围更宽。在做调速、转矩控制应用时，控制信号建议用模拟量电压信号。

1.2 步进和伺服的性能特点及对比：

2 电机选型及应用经验

2.1 电机驱动选型方法

设备制造商在电机选型时，可参考以下方法：

1）使用环境，需要的防护等级，运行噪音指标，温升指标等；

2）确定机械规格，负载、刚性等参数；

3）确认动作参数：转速、行程、加减速时间、周期、精度等；

4）计算负载惯量、选择电机惯量；

5）计算电机所需转矩；

6）选择最高转速能满足应用要求的电机。

设备制造商相关岗位人员可以按以下分工，来获取这些信息--

项目经理

详细了解设备生产出产品的工艺，应用环境，适用环温，精度，产能，机械结构，成本等参数，进而确定所需电机的噪音指标、防护等级、应用温湿度。依据工艺、产能、大致的结构，基本能得到每个电机的行程及每步动作分配的时间是多少，进而确定电机需求的转速范围，对应上述介绍精度及建议的速度范围数值，来确定选伺服还是步进的方向性。

机械设计人员  

在机械传动、结构等设计之前，应先对伺服或步进电机的型号规格做详细的了解，按照电机行业相关标准规格尺寸来设计，否则等设计好传动、结构后再来选电机，经常会遇到：安装空间不够，没有所需轴径、轴长的标准电机；没有所需的大力矩、合适惯量的电机等问题。影响进度，抬高成本。

备注  

常用的控制类电机（包含伺服、步进）转矩最大一般为50 NM (牛米)。雷赛惯量最大的步进电机型号为130HS45，惯量为：4.84*10-3(kg·m2)。步进电机轴径、法兰盘、端盖固定孔位尺寸，大部分都是按照英制习惯。伺服电机尺寸一般都按照公制习惯。

机械设计人员要先计算运动部件的转动惯量进而再计算需求力矩。

2.2 应用经验

1）电机与负载间合理装配联接。

2）需注意驱动、电机的散热。

3）选配驱动器，电源，合理设置电流，细分。

4）正确的电气连接，合理的电气装配工艺。

5）设计合理的运动曲线。

下表分别为设备制造商相关岗位人员如机械工程师、电气工程师、软件工程师提供一些参考

机械工程师参考

电气工程师参考

软件工程师参考

图1

驱动器控制信号接线图注释：

1）脉冲，方向信号端接线原理图；首先需满足驱动器的信号电压幅度条件。再考虑上位系统的信号输出类型，基本可分为：差分型、NPN型（漏、拉电流型）、PNP型（源、推电流型）

2）以较为常见的NPN型输出信号为例说明，紧紧抓住回路的概念：电流从信号电源的正端流向PUL+经内部电路后从PUL-端流出，再经过上位控制器脉冲输出口正端流向负端（NPN、PNP型脉冲输出口的正负端都可理解成单向导通开关），再从脉冲输出口的负端流回信号电源的负端，如图1形成完整的回路。

差分型输出较为特殊；通常任意一端拿出来既能产生推电流又能产生拉电流，所以不能把几路差分信号的“同名端”并联在一起形成共阳或共阴接法。无论上位输出的类型和驱动器信号接口是什么类型，只要能形成完整、可开关的回路就行。

3）另请注意当信号电压不是5V,需接电阻来限定电流时，方向与脉冲的回路中都应有各自的限流电阻而不要去共用一个电阻。

4）为保证驱动器、电机的正常工作，建议控制指令的电源和其它带有感性负载的电源完全隔离。若不能隔离，请务必为感性负载设置续流二极管。

运动曲线、参数合理规划设置：

软件工程师需要做的有：规划好每个轴的运动控制曲线，了解每个动作的时间、行程，合理的配置初速度、加速时间、最高速度、换向时间。以期望达到效率最高、效果最好。以梯形加减速为例，讲述如何规划设计一段运动曲线，见图2及其说明。

若您的上位控制器不是通用的控制卡、PLC类,请注意以下几点：

1）控制信号的高低电平时间是否满足驱动器说明书上的要求。驱动器的信号输入频率都有上限。步进通常为200KHZ，伺服通常为500KHZ，所谓的200K,500K都有一个前提：占空比在50%时。实际上200K也就是限定了高和低电平时间都不小于2.5微秒；500K时限定高和低电平时间都不小于1微秒。

2）控制信号的幅度：高电平需高于3.5V；低电平需低于0.5V。MCU的输出口通常不能直接带动驱动器，需要设置放大电路来放大电流驱动能力，使脉冲方向输出信号能达到典型应用电流10毫安。

3）控制信号的时序需满足说明书上的要求。通常驱动器会要求方向信号至少提前脉冲有效沿1-2微秒的时间。

图2

说明：                                

V1：起跳速度

V2：最高速度

t1：加速时间

t3-t2：减速时间,通常设计成和加速时间t1一致。

机座60以下的步进电机，建议起跳速度设置在1.5转/秒以下，达到推荐的最高应用转速20转/秒的加减速时间推荐30-150毫秒，电机端盖尺寸86MM及以上，建议初始速度在1转/秒以下，达到推荐的最高应用转速10转/秒的加减速时间推荐80-200毫秒。

400W及以下伺服建议初始速度3转/秒以下，达到推荐的最高应用转速50转/秒的加减速时间推荐15-200毫秒。

750W-2000W伺服建议初始速度2转/秒以下，达到30转/秒的加减速时间推荐40-300毫秒。

知道总行程S，和允许的时间T，就可以这样计算出V1，V2，t1

S=(V1+V2)*t1+V2*（T-2t1）；为方便计算令V1=0;则V2*(T-t1)=S;知道S,T值和V2,t1的经验取值范围，确定V2和t1中的任一个，剩下的也就确定了。

图3

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