伺服与步进电机的区别

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步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

一、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

五、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。在定位系统中 , 最常用的电机不外乎是步进电机和伺服电机 , 其中 , 步进电机主要可分为 2相、5相、微步进系统 , 伺服电机则主要分为 DC伺服和AC伺服两种 .
2相、5相和微步进系统主要是驱动器所表现出来解析度不同 , 2相步进系统电机每转最细可分为 400 格 , 五相则为 1000 格 , 微步进则可从 200 ~ 50000(或以上)格 , 表现出来的特性以微步进最好 , 加减速时间较短 , 动态惯性较低.
AC 和 DC 伺服电机主要的分别为 DC伺服比AC伺服电机多了一个碳刷 , 会有维护上的问题 , 而 AC 伺服电机因没有碳刷 , 所以后续并不会有太大维护上的问题. 所以基本上来说 AC伺服系统是较DC伺服系统为优 , 但 DC 伺服系统主要的优势则是价位上比 AC 伺服系统较便宜. 而此两种系统的控制精度皆为相同.
以下为伺服电机与步进电机的特征介绍

步进电机：

◎特　征

●具保持力
　　由于步进电机在激磁状态停止时，具有很大的保持力，因此即使不使用机械式刹车亦可以保持停止位置(具有激磁状态停止时，与电机电流成比例的保持力)。
　　在停电时步进电机不具有保持力，因此停电时若需有保持力，请使用附电磁刹车机种。
　　藉由电机的高精度加工，可实现步进电机高精度定位功能。解析度是取决于电机的构造，一般的HYPRID型5相步进电机为1步级0.72°精度是取决于电机的加工精度而定，无负载时的停止精度误差为±3分(±0.05°)。

● 角度控制、速度控制简单
步进电机为与输入的脉波成正比，一次以一步级角运转（0.72度）。

●高转矩，高响应性
步进电机虽然体积小但在低速运转时皆可获得高转矩输出。因此在加速性、响应性、频繁的起动及停止皆可发挥很大的威力。

●高分解能、高精度定位
5相步进电机在
全步级时0.72°(1回转500分割)，
半步级时0.36°(1回转1000分割)。
停止定位精度为±3分(±0.05°)，
所以并不会有角度累积误差。

●步进电机与AC感应或伺服电机等，有相当大的差异，并具有下列的特征:
‧与输入脉波同期，以步级方式运转。
‧以开回路方式即可完成高精度定位。
‧起动、停止的响应性优越。
‧停止时不会有累积角度误差。
‧因为电机构造简单，所以保养容易。
‧要驱动步进电机必须要有控制器，只需向驱动器输入脉波即可简单的以开回路方式进行高精度定位控制。


伺服电机：

◎特　征

●高信赖性（闭回路）
AC伺服电机由电机与编码器、驱动器三部分构成，驱动器的作用是将输入脉波与编码器的位置、速度情报进行比较后来对驱动电流进行控制。由于AC伺服电机可以透过编码器的位置、速度情报随时检出电机的运转状态，因此，即使是在电机停止时也会向控制器输出警示信号，所以能随时检出电机的异常情况。

●AC伺服电机的长处
‧能获得定位结束信号。
‧发生过负载等异常情况时，因会输出警示信号，所以能在设备发生异常时报警。
‧因能依据负载状态来控制电流，所以效率高、电机发热程度低。

在如左图所示的机构上使用时，可充分发挥AC伺服电机的特长。

‧系在X轴运转完毕后再进行Y轴运转的驱动模式。此种情况下，因能输出X轴运转完毕的信号(END)，所以非常方便。

‧假如X轴发生异常停止时，有可能会影响到其他机构。但因为会输出通知异常情况的警示信号，所以非常方便。

●高速‧高转矩
步进电机的特性为在低速领域时能输出大转矩，但在高速领域时则转矩会逐渐下降。
AC伺服电机与步进电机相比，即使在高速领域亦能获得稳定的高转矩。所以，按照长行程进行高速移动时适合使用AC伺服电机。

●减速机型
从与一般AC电机相同的分离型简易减速机到高强度、高精度的一体型减速机，一般备有种类丰富的减速机型伺服电机标准产品。
‧大惯性驱动
‧体积大幅度缩小

王栋春

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