步進電機與伺服電機的綜合比較

步進電機和伺服電機是自動化工業生產中常用的執行電機，其應用領域十分相似，但事實上兩者之間是存在一定差異的，本文通過說明兩者之間的特點和工作原理，進一步分析了兩者之間的區別，給實際生產運用提供了參考。

一、步進電機和伺服電機的主要特點

（一）步進電機的主要特點

1.步進電機沒有積累誤差。一般來說，步進電機的精度大約是其實際步距角的3～5%，且不會累積。

2.步進電機在工作時，電脈沖信號會按一定順序（例如A-B-C-A-B-C等）輪流加到各相繞組上。

3.步進電機與其它電機不同，其實際工作電壓和電流可以超過額定大小，但選擇時不應偏離額定值太多。

4.步進電機外表允許的最高溫度可以達到80-90° C。

5.步進電機的力矩會隨著其頻率（或速度）的增大而降低。

6.混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍。

7.可以通過將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可改變其旋轉方向。

（二）伺服電機的主要特點

1.起動轉矩比較大，當一旦給定子提供控制電壓，轉子就會立即轉動，所以伺服電機具有起動快、靈敏度高的特點。

2.運行范圍比較廣。

3.不會產生自轉現象，正常運轉的伺服電機一旦失去控制電壓，電機立即停止運轉。

二、步進電機和伺服電機的工作原理

（一）步進電機的工作原理

步進電機可以將電脈沖信號轉換為機械信號，步進電機每發送一個電脈沖，就可以使其旋轉一個固定的角度，稱為步距角。步距角的大小由其轉子齒數Zr和拍數N所決定。當連續給電機發送多個電脈沖信號時，就可以使其進行連續運行。此外，可以通過改變發送的電脈沖信號的頻率來控制電機轉動的速度，從而實現精確定位和調速的目的。

（二）伺服電機的工作原理

伺服電機內部也同樣由定子和轉子組成，其轉子是永磁鐵，驅動器控制的三相電首先在定子繞組中形成電磁場，而轉子在這種電磁場的作用下發生旋轉，與此同時伺服電機通過編碼器將轉動信號反饋給驅動器，通過閉環調節在驅動器內調整轉子轉動的角度，從而實現精確的定位控制。

三、步進電機和伺服電機的區別

1.控制精度的不同

步進電機是通過發送電脈沖信號的數量來控制電機的轉動，一個脈沖對應一個步距角，兩項混合式步進電機的步距角一般為 3. 6°或1. 8°，而五相混合式步進電機步距角可以達到0. 72° 或0. 36°。而伺服電機是通過控制發送脈沖時間的長短來控制電機所旋轉的角度，其精度是由電機軸后端的旋轉編碼器所保證的，精度往往可以達到步進電機的幾千分之一，能夠實現更加精確的定位控制。

2.低頻特性的不同

在低速運行時步進電機容易出現低頻振動現象。其振動頻率與負載情況和驅動器本身的性能有關，一般來說，振動頻率大概是電機空載時起跳頻率的一般。當步進電機在低速運行時，需要額外采用阻尼技術等來減弱低頻振動現象，比如可以在電機上加阻尼器或者是在驅動器上采用細分技術等。而交流伺服電機運轉非常平穩，不論在低速運行還是高速運行時都不會出現振動的現象，因為其具有共振抑制的功能，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。

3.矩頻特性的不同

步進電機的輸出轉矩會隨著轉速的上升而降低，并且在較高轉速時會出現一個急劇的下降，所以其最高工作轉速一般需要控制在每分鐘300到600轉。而交流伺服電機在運行時屬于恒定轉矩的輸出狀態，所以在其額定轉速范圍內都能輸出額定得轉矩，需要注意的是，當在額定轉速以上工作時，則為恒功率輸出。

4.過載能力的不同

步進電機一般不具備過載能力，而交流伺服電機具有較強的過載能力。例如松下交流伺服系統就同時具有速度過載和轉矩過載的能力，最大轉矩可以達到額定轉矩的3倍左右，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性轉矩。但是步進電機因為沒有這種過載能力，所以在選型時為了克服慣性轉矩，一般需要選取較大轉矩的電機，在正常啟動之后又只需要用到小部分能量，從而容易出現轉矩浪費的情況。

5.運行性能的不同

步進電機所使用的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易都會導致其發生失步或堵轉等現象，同時在停止過程中如果轉速過高也容易出現過沖情況。而交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器在運行過程中會對電機編碼器反饋信號進行采樣，從而進行實時的調整，一般也不會出現失步或過沖的現象，控制和運行性能更加可靠。

6.響應能力的不同

步進電機從靜止開始加速到工作轉速所需要的時間大約為200到400毫秒。而交流伺服電機的響應能力更好，以松下MSMA-400型的交流伺服電機為例，從靜止開始加速到3000r/min（額定轉速）僅需幾毫秒就夠了，可用于需要快速啟停的控制場合。

四、結論

綜上所述，交流伺服電機的性能在許多方而都好于步進電機。但是由于價格等原因，在一些控制要求不高的場合也可以使用步進電機作為執行機構。所以，在實際工業生產控制中，要綜合考慮控制要求、性能、成本、環境等多方面因素，進而選擇合適的控制電機。

（作者單位：無錫機電高等職業技術學校）