步進電動機與伺服電動機的性能比較

摘要：電動機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。隨著工業自動化系統的發展，步進電動機和伺服電動機較普通電動機運行更平穩、控制精度更高。這種驅動方式被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

關鍵詞：步進電動機 伺服電動機 自動化控制 控制精度

在目前國內的自動控制系統中，步進電動機的應用十分廣泛。隨著伺服系統的出現，交流伺服電動機也越來越多地應用于自動控制系統中。為了適應自動控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電動機或交流伺服電動機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。

一、控制精度不同

步進電動機的控制精度由步距角和驅動器細分保證，兩相混合式步進電動機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電動機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電動機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電動機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產的三相混合式步進電動機，其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電動機的步距角。

交流伺服電動機的控制精度由電動機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電動機為例，對于帶標準2500線編碼器的電動機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電動機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖，電動機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電動機的脈沖當量的1/655。

二、低頻特性不同

步進電動機存在著低頻振動區。低頻振動頻率與步進電動機的相數、步距角、負載情況和驅動器性能有關。一般認為振動頻率為電動機空載起跳頻率的一半。這種由步進電動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。當步進電動機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電動機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。

交流伺服電動機運轉非常平穩，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，可彌補機械的剛性不足，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。

三、矩頻特性不同

步進電動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300～600

r／min。交流伺服電動機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000r／min或3000r／min）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進電動機一般不具有過載能力。交流伺服電動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。步進電動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動機，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。

五、運行性能不同

步進電動機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，高速運行時停止易出現過沖的現象，步進電動機升、降速特性是保證其控制精度的重要指標。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電動機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，由于伺服系統控制精度高，動態響應快，一般不會出現步進電動機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

六、速度響應性能不同

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

由此可以看出，伺服電動機與步進電動機相比，具有以下幾點優勢：

一是實現了位置、速度和力矩的閉環控制，克服了步進電動機的失步問題；

二是伺服電動機高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000r／min；

三是伺服電動機過載能力強，能承受3倍于額定轉矩的負載，特別適用于對有瞬間負載波動和要求快速啟動的場合；

四是伺服電動機低速運行平穩，在低速運行時不會產生類似于步進電動機的步進運行現象，適用于有高速響應要求的場合；

五是伺服電動機加、減速的動態響應時間短，一般在幾十毫秒之內；

六是伺服電動機發熱和噪聲明顯低于步進電動機。

（作者單位：淄博市技師學院）