本文主要針對設備制造商相關人員，如項目經理、機械設計、電氣、軟件運動控制工程師，講述步進電機、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驗。

1 步進和伺服電機的各自特點、優缺點介紹

1.1 兩種電機在點位控制或調速應用的介紹

步進、伺服電機主要用于精確定位場合，也都可以用于調速應用。步進電機因效率低，一般不做為動力用；因存在一定的轉矩脈動，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當動力用。

步進電機做調速應用時，控制指令通常用脈沖指令，靠改變脈沖頻率來調速。相對變頻器調速，有低速力矩大，易于控制啟停，加減速時間短的優勢（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說也有加減速時間短的優勢，通常可做到幾十個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，控制信號建議用模擬量電壓信號。

1.2 步進和伺服的性能特點及對比：

2 電機選型及應用經驗

2.1 電機驅動選型方法

設備制造商在電機選型時，可參考以下方法：

1）使用環境，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）確認動作參數：轉速、行程、加減速時間、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）選擇最高轉速能滿足應用要求的電機。

設備制造商相關崗位人員可以按以下分工，來獲取這些信息--

項目經理

詳細了解設備生產出產品的工藝，應用環境，適用環溫，精度，產能，機械結構，成本等參數，進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、產能、大致的結構，基本能得到每個電機的行程及每步動作分配的時間是多少，進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，來確定選伺服還是步進的方向性。

機械設計人員  

在機械傳動、結構等設計之前，應先對伺服或步進電機的型號規格做詳細的了解，按照電機行業相關標準規格尺寸來設計，否則等設計好傳動、結構后再來選電機，經常會遇到：安裝空間不夠，沒有所需軸徑、軸長的標準電機；沒有所需的大力矩、合適慣量的電機等問題。影響進度，抬高成本。

備注  

常用的控制類電機（包含伺服、步進）轉矩最大一般為50 NM (牛米)。雷賽慣量最大的步進電機型號為130HS45，慣量為：4.84*10-3(kg·m2)。步進電機軸徑、法蘭盤、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部件的轉動慣量進而再計算需求力矩。

2.2 應用經驗

1）電機與負載間合理裝配聯接。

2）需注意驅動、電機的散熱。

3）選配驅動器，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）設計合理的運動曲線。

下表分別為設備制造商相關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

驅動器控制信號接線圖注釋：

1）脈沖，方向信號端接線原理圖；首先需滿足驅動器的信號電壓幅度條件。再考慮上位系統的信號輸出類型，基本可分為：差分型、NPN型（漏、拉電流型）、PNP型（源、推電流型）

2）以較為常見的NPN型輸出信號為例說明，緊緊抓住回路的概念：電流從信號電源的正端流向PUL+經內部電路后從PUL-端流出，再經過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關），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既能產生推電流又能產生拉電流，所以不能把幾路差分信號的“同名端”并聯在一起形成共陽或共陰接法。無論上位輸出的類型和驅動器信號接口是什么類型，只要能形成完整、可開關的回路就行。

3）另請注意當信號電壓不是5V,需接電阻來限定電流時，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電阻。

4）為保證驅動器、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，請務必為感性負載設置續流二極管。

運動曲線、參數合理規劃設置：

軟件工程師需要做的有：規劃好每個軸的運動控制曲線，了解每個動作的時間、行程，合理的配置初速度、加速時間、最高速度、換向時間。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曲線，見圖2及其說明。

若您的上位控制器不是通用的控制卡、PLC類,請注意以下幾點：

1）控制信號的高低電平時間是否滿足驅動器說明書上的要求。驅動器的信號輸入頻率都有上限。步進通常為200KHZ，伺服通常為500KHZ，所謂的200K,500K都有一個前提：占空比在50%時。實際上200K也就是限定了高和低電平時間都不小于2.5微秒；500K時限定高和低電平時間都不小于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驅動器，需要設置放大電路來放大電流驅動能力，使脈沖方向輸出信號能達到典型應用電流10毫安。

3）控制信號的時序需滿足說明書上的要求。通常驅動器會要求方向信號至少提前脈沖有效沿1-2微秒的時間。

圖2

說明：                                

V1：起跳速度

V2：最高速度

t1：加速時間

t3-t2：減速時間,通常設計成和加速時間t1一致。

機座60以下的步進電機，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/秒的加減速時間推薦40-300毫秒。

知道總行程S，和允許的時間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的經驗取值范圍，確定V2和t1中的任一個，剩下的也就確定了。