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【摘 要】 目前以电路网络为中心的传统控制系统逐步被PLC控制系统所替代。以PLC为核心的控制系统可以达到更精确的控制效果，能对复杂系统、非线性系统实现复杂、智能的控制算法，达到良好的效果。通过网络也能实现远程控制。特种电机的出现是社会对生产效率，产品质量，产品精度的要求提高的必然结果。
本文讨论的是特种电机中的步进电机与伺服电机。
【关键词】 产生;原理;现状
1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switchednbsp;Reluctancenbsp;Motor，nbsp;SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。上个世纪80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而突飞猛进发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点。连续控制系统能反映信号的通与断，信号的大小和变化，使控制系统获得更好的静态与动态特性，完成更复杂的控制任务。随着电力电子技术、控制理论以及微处理器技术的发展，电力电子变换器供电的连续控制系统使电力控制执行系统的性能指标出现了很大变化，不仅可以满足快速启、制动以及正、反转的要求（即四象限运行状态），而且可以确保整个电力控制执行系统工作在具有较高的调速、定位精度和较宽的调速范围内。这些性能指标的提高，使得设备的生产率和产品质量大大提高。不仅仅在电力系统，在复杂工件的加工，复杂轨迹的控制和实现里具有广泛应用。在轻工业方面的用处更加广泛。
步进电动机（steppingmotor）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。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。理论上它旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。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的特点，广泛应用于各种开环控制。由于步进电机与电脉冲的密切关系，因此也被称为脉冲电机。
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。这个原理就是步进电机的工作原理。步进电机不能直接使用工频交流或直流电，也不能用微型机直接带，由于其电流驱动比较大，因此要使用专用的步进电机驱动器。步进电机有电压和电流两种驱动方式，电压驱动目前已经不用了。
假设电机定子上有x相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/x，2/x……（x-1）/x，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制。从理论上讲，可以制成更多相的电机，但是由于成本与效益的原因，现在市场上5相就算比较多的。
步进电机可以分为励磁式，反应式和混合式，励磁式转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作，反应式没有励磁线圈，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作，反应式比励磁式应用广泛，它有二相，三相，多相之分。三相最为多见。有比较大的转矩，但是振动和噪音相当大，发达国家已经淘汰。混合式更好，它的转子由环形磁钢和铁芯组成，轴向充磁。具有励磁式和反应式的优点，它分为二相，四相和五相。二相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。目前步进电机转子一般为永磁体，由于存在铜损、铁损和谐波损耗，步进电机又追求定位精度和输出力矩，因此，发热情况比较严重，但是发热温度不能高于永磁体的耐受温度。一般来讲，磁性材料的退磁点都在130°以上，因此电机温度80-90度是正常的。电机温度不能过高，一旦造成磁性材料退磁，会因为转矩不够而至失步。
由于转矩脉动是步进电机的固有特征，而工作方式就使空间磁场是离散的步进磁场，电机各相绕组在换相期间不可避免地存在着转矩脉动、振动和噪声等问题。这是步进电机的一个突出缺点。
1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
伺服电动机的功能是将输入的电压信号（控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以又称为控制电动机或执行电动机。
以供电电源是直流还是交流划分，伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。
交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90度的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，由于电容在线路中能改变电流的相位，因此，我們只要精心挑选励磁绕组上的电容，就能是使2个绕组的电流相位相差90度，这样就产生了旋转磁场。不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。这是通过增大转子的电阻加大制动转矩来克服电机自转现象。在励磁电压不变的条件下，改变控制电压的大小就改变电机的电磁转矩，改变了电机的转速。在励磁电压不变的条件下，只要改变控制电压的方向就能改变磁场的旋转方向，使电机的转动方向发生变化。
直流伺服电动机为了减小转动惯量，转子做的比直流电机要细长一些。它励方式，励磁绕组和电枢绕组都分别由两个独立的电源供电，对永磁式的直流伺服电机来说，只有电枢调速一种工作方式。电枢控制调速方式优于它励的磁场控制调速方式。工作原理与直流电机相同。对于它励的直流电机来讲，是不准许失去励磁电流的，在弱磁状态下，由于负载一定，电机将严重过载，电机转速会上升到机械结构不能承受的状态;对一般的三相异步电机来讲，堵转时转子电流相当大，由于定转子磁势平衡关系，定子电流也相当大，定子电流可以达到额定电流的5-7倍，这个电流会引起严重发热烧毁电机的;不过对电机而言通常都有过流保护。 伺服电机的转子通常是由永磁材料制作，它一般是鼠笼式高阻导体，用来增大转子电阻，细长是为了减少转子的转动惯量;另一种是由0.2—0.3mm的铝合金做成的空心杯型转子，杯壁很薄，为了减少磁路的磁阻，在空心杯内安装了固定的内定子，这样转动惯量很小，反应快速，运转平稳，但是机械强度有所不足。
随做数字控制系统的出现，伺服电机的控制部分就由软件完成，因为伺服电机具有自带反馈调节的功能，以实现闭环控制。电机自帶的编码器会将电机的位置反馈给控制器，控制器将目标值与反馈值比较后给出信号，调整电机，精度取决于编码器的精度。
伺服电机控制系统作为一个闭环控制系统，在调试时必须要注意反馈输出与电机转向是否正确，一旦调节方向错误对控制结果来说很可能是灾难性的。
运行状态需要设计在饱和区，以使其具有最大的功率密度。由此导致电机的磁链和转矩均为相电流和转子位移角的非线性函数，这给的数学模型的精确建立带来了很大的困难，也使希望通过电气参数来精确解算转子位置极为困难。目前实际运行中，一般采用光敏式、磁敏式传感器来获取位置信息。
步进电机与伺服电机的比较
在控制精度上，伺服电机优于步进电机，步进电机的控制精度是由步进角来保证的，具体说就是由细分技术来定的，通过改变电流的大小来改变磁场的夹角，步进电机的细分度越高，电机越平稳，振动和噪音就越小，但是随着细分数的增加，磁场的夹角开始变得不均匀，离散数明显增加，步进角小到一定程度后再提高很困难。伺服电机的控制精度是由编码器来保证的，编码器这类反馈测量装置的精度的提高有很大潜力。
伺服电机运行平稳，并且具有共振抑制功能，它能解析出机械的共振点，便于系统调整，这对机械性能很有好处。步进电机在低速是易于出现低频共振现象，步进电机的工作原理就决定了低频共振现象对电机的工作非常不利，当然，步进电机对于低频工作通常都加阻尼器。
伺服电机在高速（2000rpm-3000rpm）运行情况下输出恒定力矩，在额定转速以上都是恒定功率;在控制电压一定时，负载增加，转速下降;它的调节特性是负载一定时，控制电压越高，转速也越高。
步进电机最高速度一般是（300-600）rpm，步进电机的输出力矩会随着转速的升高而下降，并且当转速较高时会急剧下降。在这点上，步进电机远不及伺服电机。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感会形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。这就决定了步进电机的加速性能受到限制。
伺服电机在静止状态到工作状态的加速性能大大优于步进电机。速度响应上是步进电机不能比拟的。
在运行性能上，步进电机高频启动或者高负载启动都易于出现丟步或堵转的现象，出现噪音。而如果停止或者反向时步进电动机转速过高就容易出现过冲现象。而伺服电机就不会出现这种问题，因为它是闭环控制。当然现在也在步进电机上安装位置检测装置，用来反馈步进电机的丟步或堵转的问题。
在过载能力上，伺服电机也大大优于步进电机，步进电机没有过载能力。伺服电机有相当的过载能力，有的可以过载几倍。步进电机在选型上为了克服启动转矩，步进电机不得不选得大一点，但是正常运行又出现转矩浪费。
不同的伺服电机在性能上也有所不同，现在应用最广的是交流伺服电机。交流伺服电机同直流伺服电机比较没有电刷和换向器，对维护和保养的要求也低，定子易于散热，适宜高速大力矩运行状态。体积与重量和直流伺服电机比较也理想。
电机位置的确定是高可靠，高性能的基础，目前普遍采用光敏、磁敏元件用作检测工具，但是在有些环境中，材料有可能失效，因此无位置传感检测是目前的一个重要研究领域，无位置传感器的实现方法是利用电机的电气参数与转子位置的函数关系解算出来的，不易受到环境因素的影响，传统的位置传感器无论加工，安装调试都会有误差影响精度。但是无位置传感就不可避免的涉及电机磁特性数学模型的建立，这是一个难点。目前国内外提出了很多种方法，大致是：
一、直接利用电机的相电压、相电流和其它参数来检测，这种就叫被动检测技术。
二、通过向空闲相注入检测脉冲信号或附加电元件来获取转子位置信息的方法。这种方法叫主动探测法。
三、利用电机运行时激励相和空闲相的相电压、相电流及其他有用信息来估计转子位置的方法，这种方法叫混合探测技术。
在空闲相中注入电流会产生干扰转矩，在具有复杂电磁环境中的压流信号反馈其噪音也是不可忽视的一个问题;再加上电机在设计，制造中为了节约铁磁材料，在正常运行时磁路已经近于饱和状态，磁场的非线性给精确建立数学模型带来了很大困难。无位置传感检测前景诱人，但是困难也不小。
特种电机作为重要的基础执行、驱动元件在信息化，自动化，远程控制的大背景下蓬勃发展，我国是世界最大的特种电机生产国，但是我国还不是特种电机生产强国，核心技术依然控制在美国，德国，日本，英国等等国家的知名品牌公司手中，他们掌控着先进微特电机的技术和产品，影响着世界微特电机的发展。而我国虽然企业众多，产量很大，但是存在不少技术空白，有些企业就是一种低端的简单仿制。生产企业中不少是小微企业，产品档次和技术水平质量都不高。还有的基本上是一种简单的组装和粗调，有些企业无论生产检测设备和员工素质都十分有限。基本没有理论研究，实验论证的条件。
参考文献：
[1]姚永刚.机电传动与控制技术TM921.5.中国轻工出版社出版.2009-8
[2]许嵩、范瑜.微型开关磁阻电机的无位置传感器研究TM352.北京交通大学出版社，2008-04-25
[3]王进野、张纪良.电机拖动与控制TM921TM301.2.天津大学出版社，2008
本文讨论的是特种电机中的步进电机与伺服电机。
【关键词】 产生;原理;现状
1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switchednbsp;Reluctancenbsp;Motor，nbsp;SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。上个世纪80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而突飞猛进发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点。连续控制系统能反映信号的通与断，信号的大小和变化，使控制系统获得更好的静态与动态特性，完成更复杂的控制任务。随着电力电子技术、控制理论以及微处理器技术的发展，电力电子变换器供电的连续控制系统使电力控制执行系统的性能指标出现了很大变化，不仅可以满足快速启、制动以及正、反转的要求（即四象限运行状态），而且可以确保整个电力控制执行系统工作在具有较高的调速、定位精度和较宽的调速范围内。这些性能指标的提高，使得设备的生产率和产品质量大大提高。不仅仅在电力系统，在复杂工件的加工，复杂轨迹的控制和实现里具有广泛应用。在轻工业方面的用处更加广泛。
步进电动机（steppingmotor）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。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。理论上它旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。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的特点，广泛应用于各种开环控制。由于步进电机与电脉冲的密切关系，因此也被称为脉冲电机。
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。这个原理就是步进电机的工作原理。步进电机不能直接使用工频交流或直流电，也不能用微型机直接带，由于其电流驱动比较大，因此要使用专用的步进电机驱动器。步进电机有电压和电流两种驱动方式，电压驱动目前已经不用了。
假设电机定子上有x相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/x，2/x……（x-1）/x，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制。从理论上讲，可以制成更多相的电机，但是由于成本与效益的原因，现在市场上5相就算比较多的。
步进电机可以分为励磁式，反应式和混合式，励磁式转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作，反应式没有励磁线圈，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作，反应式比励磁式应用广泛，它有二相，三相，多相之分。三相最为多见。有比较大的转矩，但是振动和噪音相当大，发达国家已经淘汰。混合式更好，它的转子由环形磁钢和铁芯组成，轴向充磁。具有励磁式和反应式的优点，它分为二相，四相和五相。二相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。目前步进电机转子一般为永磁体，由于存在铜损、铁损和谐波损耗，步进电机又追求定位精度和输出力矩，因此，发热情况比较严重，但是发热温度不能高于永磁体的耐受温度。一般来讲，磁性材料的退磁点都在130°以上，因此电机温度80-90度是正常的。电机温度不能过高，一旦造成磁性材料退磁，会因为转矩不够而至失步。
由于转矩脉动是步进电机的固有特征，而工作方式就使空间磁场是离散的步进磁场，电机各相绕组在换相期间不可避免地存在着转矩脉动、振动和噪声等问题。这是步进电机的一个突出缺点。
1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
伺服电动机的功能是将输入的电压信号（控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以又称为控制电动机或执行电动机。
以供电电源是直流还是交流划分，伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。
交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90度的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，由于电容在线路中能改变电流的相位，因此，我們只要精心挑选励磁绕组上的电容，就能是使2个绕组的电流相位相差90度，这样就产生了旋转磁场。不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。这是通过增大转子的电阻加大制动转矩来克服电机自转现象。在励磁电压不变的条件下，改变控制电压的大小就改变电机的电磁转矩，改变了电机的转速。在励磁电压不变的条件下，只要改变控制电压的方向就能改变磁场的旋转方向，使电机的转动方向发生变化。
直流伺服电动机为了减小转动惯量，转子做的比直流电机要细长一些。它励方式，励磁绕组和电枢绕组都分别由两个独立的电源供电，对永磁式的直流伺服电机来说，只有电枢调速一种工作方式。电枢控制调速方式优于它励的磁场控制调速方式。工作原理与直流电机相同。对于它励的直流电机来讲，是不准许失去励磁电流的，在弱磁状态下，由于负载一定，电机将严重过载，电机转速会上升到机械结构不能承受的状态;对一般的三相异步电机来讲，堵转时转子电流相当大，由于定转子磁势平衡关系，定子电流也相当大，定子电流可以达到额定电流的5-7倍，这个电流会引起严重发热烧毁电机的;不过对电机而言通常都有过流保护。 伺服电机的转子通常是由永磁材料制作，它一般是鼠笼式高阻导体，用来增大转子电阻，细长是为了减少转子的转动惯量;另一种是由0.2—0.3mm的铝合金做成的空心杯型转子，杯壁很薄，为了减少磁路的磁阻，在空心杯内安装了固定的内定子，这样转动惯量很小，反应快速，运转平稳，但是机械强度有所不足。
随做数字控制系统的出现，伺服电机的控制部分就由软件完成，因为伺服电机具有自带反馈调节的功能，以实现闭环控制。电机自帶的编码器会将电机的位置反馈给控制器，控制器将目标值与反馈值比较后给出信号，调整电机，精度取决于编码器的精度。
伺服电机控制系统作为一个闭环控制系统，在调试时必须要注意反馈输出与电机转向是否正确，一旦调节方向错误对控制结果来说很可能是灾难性的。
运行状态需要设计在饱和区，以使其具有最大的功率密度。由此导致电机的磁链和转矩均为相电流和转子位移角的非线性函数，这给的数学模型的精确建立带来了很大的困难，也使希望通过电气参数来精确解算转子位置极为困难。目前实际运行中，一般采用光敏式、磁敏式传感器来获取位置信息。
步进电机与伺服电机的比较
在控制精度上，伺服电机优于步进电机，步进电机的控制精度是由步进角来保证的，具体说就是由细分技术来定的，通过改变电流的大小来改变磁场的夹角，步进电机的细分度越高，电机越平稳，振动和噪音就越小，但是随着细分数的增加，磁场的夹角开始变得不均匀，离散数明显增加，步进角小到一定程度后再提高很困难。伺服电机的控制精度是由编码器来保证的，编码器这类反馈测量装置的精度的提高有很大潜力。
伺服电机运行平稳，并且具有共振抑制功能，它能解析出机械的共振点，便于系统调整，这对机械性能很有好处。步进电机在低速是易于出现低频共振现象，步进电机的工作原理就决定了低频共振现象对电机的工作非常不利，当然，步进电机对于低频工作通常都加阻尼器。
伺服电机在高速（2000rpm-3000rpm）运行情况下输出恒定力矩，在额定转速以上都是恒定功率;在控制电压一定时，负载增加，转速下降;它的调节特性是负载一定时，控制电压越高，转速也越高。
步进电机最高速度一般是（300-600）rpm，步进电机的输出力矩会随着转速的升高而下降，并且当转速较高时会急剧下降。在这点上，步进电机远不及伺服电机。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感会形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。这就决定了步进电机的加速性能受到限制。
伺服电机在静止状态到工作状态的加速性能大大优于步进电机。速度响应上是步进电机不能比拟的。
在运行性能上，步进电机高频启动或者高负载启动都易于出现丟步或堵转的现象，出现噪音。而如果停止或者反向时步进电动机转速过高就容易出现过冲现象。而伺服电机就不会出现这种问题，因为它是闭环控制。当然现在也在步进电机上安装位置检测装置，用来反馈步进电机的丟步或堵转的问题。
在过载能力上，伺服电机也大大优于步进电机，步进电机没有过载能力。伺服电机有相当的过载能力，有的可以过载几倍。步进电机在选型上为了克服启动转矩，步进电机不得不选得大一点，但是正常运行又出现转矩浪费。
不同的伺服电机在性能上也有所不同，现在应用最广的是交流伺服电机。交流伺服电机同直流伺服电机比较没有电刷和换向器，对维护和保养的要求也低，定子易于散热，适宜高速大力矩运行状态。体积与重量和直流伺服电机比较也理想。
电机位置的确定是高可靠，高性能的基础，目前普遍采用光敏、磁敏元件用作检测工具，但是在有些环境中，材料有可能失效，因此无位置传感检测是目前的一个重要研究领域，无位置传感器的实现方法是利用电机的电气参数与转子位置的函数关系解算出来的，不易受到环境因素的影响，传统的位置传感器无论加工，安装调试都会有误差影响精度。但是无位置传感就不可避免的涉及电机磁特性数学模型的建立，这是一个难点。目前国内外提出了很多种方法，大致是：
一、直接利用电机的相电压、相电流和其它参数来检测，这种就叫被动检测技术。
二、通过向空闲相注入检测脉冲信号或附加电元件来获取转子位置信息的方法。这种方法叫主动探测法。
三、利用电机运行时激励相和空闲相的相电压、相电流及其他有用信息来估计转子位置的方法，这种方法叫混合探测技术。
在空闲相中注入电流会产生干扰转矩，在具有复杂电磁环境中的压流信号反馈其噪音也是不可忽视的一个问题;再加上电机在设计，制造中为了节约铁磁材料，在正常运行时磁路已经近于饱和状态，磁场的非线性给精确建立数学模型带来了很大困难。无位置传感检测前景诱人，但是困难也不小。
特种电机作为重要的基础执行、驱动元件在信息化，自动化，远程控制的大背景下蓬勃发展，我国是世界最大的特种电机生产国，但是我国还不是特种电机生产强国，核心技术依然控制在美国，德国，日本，英国等等国家的知名品牌公司手中，他们掌控着先进微特电机的技术和产品，影响着世界微特电机的发展。而我国虽然企业众多，产量很大，但是存在不少技术空白，有些企业就是一种低端的简单仿制。生产企业中不少是小微企业，产品档次和技术水平质量都不高。还有的基本上是一种简单的组装和粗调，有些企业无论生产检测设备和员工素质都十分有限。基本没有理论研究，实验论证的条件。
参考文献：
[1]姚永刚.机电传动与控制技术TM921.5.中国轻工出版社出版.2009-8
[2]许嵩、范瑜.微型开关磁阻电机的无位置传感器研究TM352.北京交通大学出版社，2008-04-25
[3]王进野、张纪良.电机拖动与控制TM921TM301.2.天津大学出版社，2008