本文主要針對設備制造商相關(guān)人員，如項目經(jīng)理、機械設計、電氣、軟件運動(dòng)控制工程師，講述步進(jìn)電機、伺服電機（本文都指永磁同步交流伺服電機）的作用，選用方法及周邊配套設施的選配和主要應用經(jīng)驗。
1 步進(jìn)和伺服電機的各自特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)介紹
1.1 兩種電機在點(diǎn)位控制或調速應用的介紹
步進(jìn)、伺服電機主要用于精確定位場(chǎng)合，也都可以用于調速應用。步進(jìn)電機因效率低，一般不做為動(dòng)力用；因存在一定的轉矩脈動(dòng)，不推薦用于轉矩控制。伺服系統則可以做轉矩控制，還可考慮取代變頻驅動(dòng)當動(dòng)力用。
步進(jìn)電機做調速應用時(shí)，控制指令通常用脈沖指令，靠改變脈沖頻率來(lái)調速。相對變頻器調速，有低速力矩大，易于控制啟停，加減速時(shí)間短的優(yōu)勢（合適的電壓及負載條件下，百毫秒級就能達到目標速度）。而且調速范圍較寬，在負載慣量比匹配合理的條件下，通常不需要另加減速機構。缺點(diǎn)在于運行噪音相對大一些。
伺服電機做調速應用相對變頻調速來(lái)說(shuō)也有加減速時(shí)間短的優(yōu)勢，通�？勺龅綆资畟�(gè)毫秒就達到預期速度，調速范圍更寬。在做調速、轉矩控制應用時(shí)，控制信號建議用模擬量電壓信號。
1.2 步進(jìn)和伺服的性能特點(diǎn)及對比：
2 電機選型及應用經(jīng)驗
2.1 電機驅動(dòng)選型方法
設備制造商在電機選型時(shí)，可參考以下方法：
1）使用環(huán)境，需要的防護等級，運行噪音指標，溫升指標等；
2）確定機械規格，負載、剛性等參數；
3）確認動(dòng)作參數：轉速、行程、加減速時(shí)間、周期、精度等；
4）計算負載慣量、選擇電機慣量；
5）計算電機所需轉矩；
6）選擇最高轉速能滿(mǎn)足應用要求的電機。
設備制造商相關(guān)崗位人員可以按以下分工，來(lái)獲取這些信息--
項目經(jīng)理
詳細了解設備生產(chǎn)出產(chǎn)品的工藝，應用環(huán)境，適用環(huán)溫，精度，產(chǎn)能，機械結構，成本等參數，進(jìn)而確定所需電機的噪音指標、防護等級、應用溫濕度。依據工藝、產(chǎn)能、大致的結構，基本能得到每個(gè)電機的行程及每步動(dòng)作分配的時(shí)間是多少，進(jìn)而確定電機需求的轉速范圍，對應上述介紹精度及建議的速度范圍數值，來(lái)確定選伺服還是步進(jìn)的方向性。
機械設計人員
在機械傳動(dòng)、結構等設計之前，應先對伺服或步進(jìn)電機的型號規格做詳細的了解，按照電機行業(yè)相關(guān)標準規格尺寸來(lái)設計，否則等設計好傳動(dòng)、結構后再來(lái)選電機，經(jīng)常會(huì )遇到：安裝空間不夠，沒(méi)有所需軸徑、軸長(cháng)的標準電機；沒(méi)有所需的大力矩、合適慣量的電機等問(wèn)題。影響進(jìn)度，抬高成本。
備注
常用的控制類(lèi)電機（包含伺服、步進(jìn)）轉矩最大一般為50 NM (牛米)。雷賽慣量最大的步進(jìn)電機型號為130HS45，慣量為：4.84*10-3(kg·m2)。步進(jìn)電機軸徑、法蘭盤(pán)、端蓋固定孔位尺寸，大部分都是按照英制習慣。伺服電機尺寸一般都按照公制習慣。
機械設計人員要先計算運動(dòng)部件的轉動(dòng)慣量進(jìn)而再計算需求力矩。
2.2 應用經(jīng)驗
1）電機與負載間合理裝配聯(lián)接。
2）需注意驅動(dòng)、電機的散熱。
3）選配驅動(dòng)器，電源，合理設置電流，細分。
4）正確的電氣連接，合理的電氣裝配工藝。
5）設計合理的運動(dòng)曲線(xiàn)。
下表分別為設備制造商相關(guān)崗位人員如機械工程師、電氣工程師、軟件工程師提供一些參考
機械工程師參考
電氣工程師參考
軟件工程師參考
圖1
驅動(dòng)器控制信號接線(xiàn)圖注釋?zhuān)?/font>
1）脈沖，方向信號端接線(xiàn)原理圖；首先需滿(mǎn)足驅動(dòng)器的信號電壓幅度條件。再考慮上位系統的信號輸出類(lèi)型，基本可分為：差分型、NPN型（漏、拉電流型）、PNP型（源、推電流型）
2）以較為常見(jiàn)的NPN型輸出信號為例說(shuō)明，緊緊抓住回路的概念：電流從信號電源的正端流向PUL+經(jīng)內部電路后從PUL-端流出，再經(jīng)過(guò)上位控制器脈沖輸出口正端流向負端（NPN、PNP型脈沖輸出口的正負端都可理解成單向導通開(kāi)關(guān)），再從脈沖輸出口的負端流回信號電源的負端，如圖1形成完整的回路。
差分型輸出較為特殊；通常任意一端拿出來(lái)既能產(chǎn)生推電流又能產(chǎn)生拉電流，所以不能把幾路差分信號的“同名端”并聯(lián)在一起形成共陽(yáng)或共陰接法。無(wú)論上位輸出的類(lèi)型和驅動(dòng)器信號接口是什么類(lèi)型，只要能形成完整、可開(kāi)關(guān)的回路就行。
3）另請注意當信號電壓不是5V,需接電阻來(lái)限定電流時(shí)，方向與脈沖的回路中都應有各自的限流電阻而不要去共用一個(gè)電阻。
4）為保證驅動(dòng)器、電機的正常工作，建議控制指令的電源和其它帶有感性負載的電源完全隔離。若不能隔離，請務(wù)必為感性負載設置續流二極管。
運動(dòng)曲線(xiàn)、參數合理規劃設置：
軟件工程師需要做的有：規劃好每個(gè)軸的運動(dòng)控制曲線(xiàn)，了解每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、行程，合理的配置初速度、加速時(shí)間、最高速度、換向時(shí)間。以期望達到效率最高、效果最好。以梯形加減速為例，講述如何規劃設計一段運動(dòng)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2及其說(shuō)明。
若您的上位控制器不是通用的控制卡、PLC類(lèi),請注意以下幾點(diǎn)：
1）控制信號的高低電平時(shí)間是否滿(mǎn)足驅動(dòng)器說(shuō)明書(shū)上的要求。驅動(dòng)器的信號輸入頻率都有上限。步進(jìn)通常為200KHZ，伺服通常為500KHZ，所謂的200K,500K都有一個(gè)前提：占空比在50%時(shí)。實(shí)際上200K也就是限定了高和低電平時(shí)間都不小于2.5微秒；500K時(shí)限定高和低電平時(shí)間都不小于1微秒。
2）控制信號的幅度：高電平需高于3.5V；低電平需低于0.5V。MCU的輸出口通常不能直接帶動(dòng)驅動(dòng)器，需要設置放大電路來(lái)放大電流驅動(dòng)能力，使脈沖方向輸出信號能達到典型應用電流10毫安。
3）控制信號的時(shí)序需滿(mǎn)足說(shuō)明書(shū)上的要求。通常驅動(dòng)器會(huì )要求方向信號至少提前脈沖有效沿1-2微秒的時(shí)間。
圖2
說(shuō)明：
V1：起跳速度
V2：最高速度
t1：加速時(shí)間
t3-t2：減速時(shí)間,通常設計成和加速時(shí)間t1一致。
機座60以下的步進(jìn)電機，建議起跳速度設置在1.5轉/秒以下，達到推薦的最高應用轉速20轉/秒的加減速時(shí)間推薦30-150毫秒，電機端蓋尺寸86MM及以上，建議初始速度在1轉/秒以下，達到推薦的最高應用轉速10轉/秒的加減速時(shí)間推薦80-200毫秒。
400W及以下伺服建議初始速度3轉/秒以下，達到推薦的最高應用轉速50轉/秒的加減速時(shí)間推薦15-200毫秒。
750W-2000W伺服建議初始速度2轉/秒以下，達到30轉/秒的加減速時(shí)間推薦40-300毫秒。
知道總行程S，和允許的時(shí)間T，就可以這樣計算出V1，V2，t1
S=(V1+V2)*t1+V2*（T-2t1）；為方便計算令V1=0;則V2*(T-t1)=S;知道S,T值和V2,t1的經(jīng)驗取值范圍，確定V2和t1中的任一個(gè)，剩下的也就確定了。
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