步進電機和伺服電機的性能綜合比較分析

孫煥彬

摘 要：我國在數字控制技術研究方面的能力有限，步進電機在生產生活當中的應用相對普遍，而全數字交流伺服電機系統的產生使得其在數字控制研究過程中的比重越來越大，加強對步進電機以及伺服電機兩者之間的比較研究具有關鍵性意義。本文對步進電機和伺服電機的特點進行了簡單概括，并對兩者的性能進行了綜合比較。

關鍵詞：步進電機；伺服電機；性能；綜合比較

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。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、步進電機和伺服電機的特點

（一）步進電機特點。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。步進電機通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，也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。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環控制。現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。

（二）伺服電機特點。常用的伺服電機是交流異步伺服電機，主要具備以下特點：采用自行設計的專用32位CPU對電機進行全數字化控制；通過自設方式，便于系統操作，這個過程中用戶能夠完成二次開發；具有平穩的低速大轉矩輸出性能，具有零轉速力矩保持功能；可對電機的位置、速度、加速度、轉矩進行高精度控制以及具有對多臺電機進行同步或跟隨控制的功能，特別是轉矩與轉速可以分別獨立控制，適于復雜系統的控制要求；具有通信功能，RS232C，RS422/RS485，可由計算機、PLC等進行上位控制和運行狀態監視等；伺服控制器的容量范圍為0.1kW～185kW；具有豐富的輸入輸出功能等。

二、步進電機和伺服電機的性能綜合比較

（一）控制精度不同。步進電機設備的步距角通常情況下為固定值，例如四通公司制造的一張應用在慢走絲機床當中的不僅電機，其步距角就為固定值0.09°。而兩相混合式步進電機產生的步距角達到1.8°。另外一些性能更好的電機可能在進行步距角設計時角度更小。伺服電機的控制精度通常情況下由電機軸旋轉編碼器完成控制。標準型號電機當中的編碼器主要使用的是4倍頻技術編碼，其脈沖當量能夠達到0.036°。

（二）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。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，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300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。伺服本身是沒有保持力矩的，而步進電機有保持力矩。區別在于，伺服電機的所謂靜止，實際上是一個動平衡的過程，電機不會真的停在指定位置上。

（四）運行性能不同。步進電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，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

（五）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，其具有速度過載和轉矩過載能力，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。步進電機因沒有這種過載能力，在選型時為克服慣性力矩，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。

（六）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200～400毫秒。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。因為交流伺服可以有瞬間大扭矩輸出，所以加速性能可能比步進強，但是說到響應，伺服總是受其響應頻率限制，而步進電機基本不用考慮響應時間的問題。

三、結語

通過對步進電機以及伺服電機進行綜合比較發現，交流伺服電機具有多方面的性能優勢，但是在一些特定場合當中更宜采用步進電機。總之，在進行控制系統優化的過程中應當充分考慮實際情況，選擇合適的控制電機。

參考文獻：

[1]步進電機和伺服電機的性能綜合比較[J].伺服控制，2013，02：18-19.