步進電機和伺服電機的比較

摘要：通過介紹步進電機和伺服電機的工作原理，著重描述了步進電機和伺服電機二者的區別，對二者在選型時進行了比較，在控制系統的設計過程中要綜合考慮，選用適當的控制電機。

關鍵詞：步進電機 伺服電機 工作原理

隨著我國經濟迅猛發展，中國逐漸成為世界的加工中心。隨著步進電機和伺服電機的出現，大大提升了控制回路的精度。步進電機它的旋轉是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種開環控制。伺服電機是把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

1 步進電機和伺服電機的工作原理

1.1 步進電機的工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

1.2 伺服電機的工作原理 伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

2 步進電機和伺服電機的區別

2.1 控制的方式不同 步進電機是通過控制脈沖的個數控制轉動角度的，一個脈沖對應一個步距角。伺服電機是通過控制脈沖時間的長短控制轉動角度的。

2.2 所需的工作設備和工作流程不同 步進電機所需的供電電源（所需電壓由驅動器參數給出），一個脈沖發生器（現在多半是用板塊），一個步進電機，一個驅動器（驅動器設定步距角角度，如設定步距角為0.45°，這時，給一個脈沖，電機走0.45°）；其工作流程為步進電機工作一般需要兩個脈沖：信號脈沖和方向脈沖。伺服電機所需的供電電源是一個開關（繼電器開關或繼電器板卡），一個伺服電機；其工作流程就是一個電源連接開關，再連接伺服電機。

2.3 低頻特性不同 步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。

2.4 矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600r/min。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000或3000 r/min）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

2.5 過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

2.6 速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400ms。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000 r/min。僅需幾ms，可用于要求快速啟停的控制場合。

3 步進電機和伺服電機在造型時的比較

3.1 步進電機在造型時的要點

3.1.1 選擇保持轉矩 保持轉矩也叫靜力矩，是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。由于步進電機低速運轉時的力矩接近保持轉矩，而步進電機的力矩隨著速度的增大而快速衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以說保持轉矩是衡量步進電機負載能力最重要的參數之一。

3.1.2 選擇相數 兩相步進電機成本低，步距角最少1.8 度，低速時的震動較大，高速時力矩下降快，適用于高速且對精度和平穩性要求不高的場合；三相步進電機步距角最少1.5度，振動比兩相步進電機小，低速性能好于兩相步進電機，最高速度比兩相步進電機高百分之30至50，適用于高速且對精度和平穩性要求較高的場合；5相步進電機步距角更小，低速性能好于3相步進電機，但成本偏高，適用于中低速段且對精度和平穩性要求較高的場合。

3.1.3 選擇電機 應遵循先選電機后選驅動器原則，先明確負載特性，再通過比較不同型號步進電機的靜力矩和矩頻曲線，找到與負載特性最匹配的步進電機；精度要求高時，應采用機械減速裝置，以使電機工作在效率最高、噪音最低的狀態；避免使電機工作在振動區，如若必須則通過改變電壓、電流或增加阻尼的方法解決；電源電壓方面，建議57電機采用直流24V-36V、86電機采用直流46V、110電機采用高于直流80V；大轉動慣量負載應選擇機座號較大的電機；大慣量負載、工作轉速較高時，電機而應采用逐漸升頻提速，以防止電機失步、減少噪音、提高停轉時的定位精度；鑒于步進電機力矩一般在40Nm以下，超出此力矩范圍，且運轉速度大于1000RPM時，即應考慮選擇伺服電機。

3.1.4 選擇驅動器和細分數 最好不選擇整步狀態，因為整步狀態時振動較大；盡量選擇小電流、大電感、低電壓的驅動器；配用大于工作電流的驅動器、在需要低振動或高精度時配用細分型驅動器、對于大轉矩電機配用高電壓型驅動器，以獲得良好的高速性能；在電機實際使用轉速通常較高且對精度和平穩性要求不高的場合，不必選擇高細分數驅動器，以便節約成本；在電機實際使用轉速通常很低的條件下，應選用較大細分數，以確保運轉平滑，減少振動和噪音；總之，在選擇細分數時，應綜合考慮電機的實際運轉速度、負載力矩范圍、減速器設置情況、精度要求、振動和噪音要求等。

3.2 伺服電機在造型時的要點

3.2.1 負載/電機慣量比 正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能前提，此點在要求高速高精度的系統上表現尤為突出，伺服系統參數的高速跟慣量比有很大關系，若負載電機慣量比過大，伺服參數調整越趨邊緣化，也越難高速，振動抑制能力也越差，所以控制易變得不穩定；在沒有自適應調整的情況下，伺服系統的默認參數在1～3倍負載電機慣量比下，系統會達到最佳工作狀態，這樣，就有了負載電機慣量比的問題，也就是我們一般所說的慣量匹配，如果電機慣量和負載慣量不匹配，就會出現電機慣量和負載慣量之間動量傳遞時發生較大的沖擊。

3.2.2 選擇轉速 電機選擇首先應依據機械系統的快速行程速度來計算，快速行程的電機轉速應嚴格控制在電機的額定轉速之內，并應在接近電機的額定轉速的范圍使用，以有效利用伺服電機的功率；額定轉速、最大轉速、允許瞬間轉速之間的關系為：允許瞬間轉速＞最大轉速＞額定轉速。伺服電機工作在最低轉速和額定轉速之間時為恒轉矩調速，工作在額定轉速和最大轉速之間時為恒功率調速；在運行過程中，恒轉矩范圍內在轉矩是負載的轉矩決定；恒功率范圍內的功率是負載的功率決定；恒功率調速是指電機低速時輸出轉矩大，高速時輸出轉矩小，即輸出功率是恒定的；恒轉矩調速是指電機高速、低速輸出轉矩一樣大，即高速時輸出功率大，低速時輸出功率小。

3.2.3 選擇轉矩 伺服電機的額定轉矩必須滿足實際需要，但是不需要留有過多的余量，因為一般情況下，其最大轉矩為額定轉矩的3倍。需要注意的是，連續工作的負載轉矩≤伺服電機的額定轉矩，機械系統所需要的最大轉矩＜伺服電機輸出的最大轉矩。在進行機械方面的校核時，可能還要考慮負載的機械特性類型，負載的機械特性類型一般有：恒轉矩負載、恒功率負載、二次方律負載、直線負載、混合負載。

3.2.4 短時間特性（加減速轉矩） 伺服電機除連續區域外，還有短時間內的運轉特性如電機加減速，用最大轉矩表示；即使容量相同，最大轉矩也會因各電機而有所不同。最大轉矩影響驅動電機的加速時間常數，使用公式估算線性加速時間常數，根據該公式確定所需的電機最大轉矩，選定電機容量。

3.2.5 連續特性（連續實效負載轉矩） 對要求頻繁起動、制動的數控機床，為避免電機過熱，必須檢查它在一個周期內電機轉矩的圴方根值，并使它小于電機連續額定轉矩，其具體計算可參考其它文獻。在選擇的過程中依次計算此五要素來確定電機型號，如果其中一個條件不滿足則應采取適當的措施，如變更電機系列或提高電機容量等。

4 步進電機和伺服電機的應用

步進電動機及其驅動器構成伺服驅動單元，它與微型計算機可構成開環點位控制、連續軌跡控制甚至半閉環控制等。經濟型數控機床以微型計算機為控制核心，ISO數控標準代碼編程，用軟件實現數控裝置全部功能，采用大功率步進電動機直接驅動機床工作臺，組成了全數字化開環數控裝置。伺服電機廣泛應用于對精度有較高要求的機械設備，如印刷設備、機床和CNC數控設備、裝配線和材料夾持自動生產、印刷設備、打漿成紙及網面處理和自動機載系統包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設備。

5 結束語

在了解了步進電機和伺服電機的性能區別和二者在造型時應注意的要點，不難發現伺服電機在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機，使用步進電機，控制器的設計相對比較容易，易于實現；選用交流伺服電機來設計控制系統，其成本比選用步進電機高。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。