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伺服与步进

我是这个社区的新人。这也与 3D 打印没有直接关系。我搜索了这个,我找不到好的答案。

我的一位朋友告诉我CNC加工中心(铣削)主要使用伺服电机,CNC激光切割机和等离子切割机主要使用步进电机。

伺服电机的位置控制比步进电机更准确。

我认为位置控制在激光和等离子切割机中比 CNC 加工中心更重要,但激光和等离子切割机使用步进电机。

为什么激光和等离子切割机使用步进电机而不使用伺服电机?

PS这个问题比3D打印和数控routing.And也更大的面积,这个问题要求有更多的理由为什么在激光切割机,等离子切割机和数控router.SO使用步进,这不是重复一个。

[使用伺服电机而不是步进电机的Reprap变体?](https://3dprinting.stackexchange.com/questions/3842/reprap-variants-with-servo-motors-rather-than-stepper-motors)的可能重复
我认为这与控制回路中的质量有关。伺服器本身没有控制回路,因此使用起来更简单,但在精确移动大质量的能力方面受到更多限制。
@SeanHoulihane,实际上伺服系统确实有一个控制回路(由于驱动它的参数,通常称为 PID 回路)。循环是使其成为伺服的定义性质。另一方面,步进电机运行开环,因为它们没有反馈。此外,我会说伺服系统是控制大质量的更好选择。嗯......也许我会把这个添加到我的答案中。
如果沿路径移动工具,则不需要“位置控制”。工具(3d 打印热端、激光或其他)应准确地在路径上移动。当您需要驾驶到某个位置时,“位置控制”很重要。当沿着零件行驶时,控制回路意味着偏离路径。
是否有任何答案帮助您获得问题的答案或帮助您得出自己的结论,然后请投票并接受答案。这有助于我们减少 [未回答问题列表](https://3dprinting.stackexchange.com/unanswered)。自己找到了另一个答案(然后是已经发布的)?请添加该答案(并在 48 小时后接受)以与社区分享您的经验。如果您无法解决问题,请更新您的问题。
@0scar 有时很难接受一个答案,因为可以接受多个答案。无论如何,我投票给最有帮助的人。

5个回答

伺服确实有几个优点;但是,它们更昂贵且更难控制。

通常,伺服电机是直流电机,但带有编码器以提供位置反馈。电路(可以是计算机)然后将实际位置(来自编码器)与指令位置进行比较,并使用误差来确定向电机提供多少功率(通常通过 PWM)。

伺服系统的一些优点:

  1. 电机上的编码器每转通常有数千个计数,因此它们是准确的。
  2. 它们是控制大质量的绝佳选择。开始运动时,当编码器响应速度不如预期时,控制回路可以检测到需要更多功率,从而为电机提供更多功率。这将在电机达到速度时自动降低,不再需要加速扭矩。此外,当试图减慢大质量以限制打捞时,伺服回路还可以施加反向扭矩。

伺服系统的一些缺点:

  1. 用于伺服系统的直流电机在数千 RPM 时达到峰值功率。这意味着要在打印机上使用它们,您需要降低它们的速度。这增加了费用。
  2. 您需要电子设备来对直流电机的电源进行 PWM 并关闭伺服回路(通常至少为 1 KHz)。这可能需要大量 CPU。可能比 Melzi 能做的更多,因为它已经用完了。
  3. 伺服回路调整会导致电机在空载轴上保持位置时发出嗡嗡声。这可能会导致打印问题。

我知道您可能已经看到廉价的伺服器,通常被称为“业余伺服器”。这些在 RC 中经常使用。这些使用一种创造性的技巧,使他们能够使用廉价的电位计来创建廉价的控制回路。这个“技巧”的限制是它不能旋转完整的 360°;因此,它不能运行连续轴。是的,我知道有一些业余的舵机,叫做连续旋转舵机;但是,他们通过断开电位器来做到这一点。在这种情况下,它们不再是伺服器。这只是使用相同的控制接口来控制标准直流电机的一种方式,电机不准确。

另一方面,步进电机:

  1. 真的很便宜;
  2. 不需要复杂的驱动电路或控制回路;
  3. 喜欢在没有负载的情况下保持姿势。

它们的缺点是它们的旋转精度受到电机物理极点的限制。这可以使用微步进来改善;但是,有限制。此外,很难(通常不切实际)确定电机是否错过了一步。这通常可以通过确保电机上的负载始终远低于步进扭矩来解决。这通常涉及管理电机加速度。

总之,舵机非常适合某些应用;但是,对于 3D 打印等低成本情况,步进器很难被击败。铣削 CNC 可能需要伺服系统,因为切割头比挤出机或激光器大得多,并且需要伺服控制回路来为更大质量的物体提供精确的运动。

谢谢,我想我修好了。当我改变答案时,我是根据我对问题的记忆来写的(这往往没有我想象的那么好)。 Stack Exchange 在您编辑和回答时隐藏问题进一步加剧了这种情况。
谢谢你的回答。根据您对伺服和步进器的解释,我可以得到为什么步进器用于激光和等离子切割机的一个原因。 CNC 铣削需要处理很重的负载/重量。所以,加速和减速比激光切割机更重要。因此,数控铣削需要伺服。否则,激光切割机的移动重量很轻。因此,使用步进器可以实现位置控制。不需要使用伺服的更昂贵和复杂的系统。
CNC机器使用交流伺服电机。
伺服电机可以在内部使用步进器。 “伺服”部分是指闭环位置控制,可以使用任何电机来移动质量。只是通常情况下,一旦有了位置控制,放置大型 BLDC 或有刷电机而不是步进电机会更便宜。
@NSiri - 是的,我也是这么想的。
@JashJacob 我听说过将伺服称为“交流伺服”的两种不同方式。一种是直流伺服,其控制器使用交流电源输入。整流交流线路允许更高的驱动电压。由于反电动势,直流电机的运行电压限制了其最大 RPM;因此,更高的电压意味着更高的 RPM 和 HP。我听说过的另一种称为“交流伺服”的电机是在伺服控制回路中运行的交流感应电机。这需要更复杂的驱动;但是对于高马力,交流感应电机比无刷直流电机便宜得多。
@BryanBoettcher 你是对的,步进电机和伺服电机都是无刷直流电机。与伺服器一样,步进器更多地由其控制方案而非其使用的电机来定义。步进器使用电机内的磁极使电机绕其轴步进。步骤越多,您可以达到的位置就越多。同样,伺服系统受益于更多的极点,因为这使它们运行更顺畅。因此,两种方案通常使用相同的电机。伺服控制;但是,它将允许您将电机的范围推得比步进控制更远;但是,以更昂贵的控制为代价。

当您主要提供一个准确的位置时,伺服是最好的,听起来像人类的手臂,不是吗?然而,职位的数量有时是压倒性的。

想想一幅画,是一点一点地画还是相对凭直觉扔铅笔更容易?这就是为什么在使用步进电机时需要较少计算的原因,因为它们只是局部步进而无需担心整体绘画。话虽如此,步进电机远距离运行的成本更高,因为它必须考虑它的每一步。

主轴伺服控制切削头转速。步进器控制运动和工具位置。所有数控机床。

CNC主轴由高转速电机控制,大部分时间不适合伺服或步进。

使用步进电机的主要原因是它们的价格低廉。小型步进电机(NEMA 17 及更小)对于 3D 打印机来说足够强大,因为质量非常小。这些电机通常需要最大 2 安培的电流。 2 安培足够小,可以将带有所有电路和驱动电子设备的控制芯片制造为一个集成单元。 3D 打印机中最常见的芯片是 Allegro 芯片系列。由于它们非常普遍,每个芯片的价格非常低。

伺服电机可以有一个类似的完全集成的芯片,但问题是伺服需要针对其特定应用进行调整。需要为 3D 打印机(或其他 CNC 设备)的每个模型的每个轴分别调整伺服。这使得特别是业余爱好者更难以使用伺服系统。如果伺服没有正确调整,它可能会剧烈振荡或对输入的响应太慢。用于调整的接口可能是串行接口,这会显着增加成本和复杂性。

此外,伺服电机需要某种类型的编码器。通常是光学编码器,但也有磁性编码器和电容式编码器。无论电机功率多大,编码器的成本基本上是不变的,因此当您拥有小型电机时,编码器的成本是可观的。高分辨率磁性编码器每件售价 3 美元。这会增加电机的大量成本,不包括其他更昂贵的驱动电子设备。光学编码器可以更便宜;我不确定这些的具体价格。

忽略成本,带有高分辨率编码器的伺服电机肯定更适合 3D 打印机。我认为我们很快就会看到一些带有伺服系统的高端消费打印机上市。伺服系统将消除遗漏的步骤,可能会增加加速度和最大速度(取决于尺寸),如果调整得当,还可以减少振动。

markshancock 给出的答案也提出了很好的观点,但我想详细说明成本问题。

传统步进器和基于伺服的系统之间的基本区别在于电机的类型及其控制方式。步进电机通常使用 50 到 100 极的无刷电机,而典型的伺服电机只有 4 到 12 极。

我无法正确理解您的回答。你能解释一下你说的极点是什么吗?

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