伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別與性能比較

在很多的應(yīng)用場(chǎng)合中，都離不開電機(jī)的使用。其中，伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)都是電機(jī)類型中的一種。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)則是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。那么您知道伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別在哪里嗎？

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)也屬于伺服電機(jī)的一種，伺服電機(jī)是特指可以精確受控的電機(jī)（指轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、行程可控等等），包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，但不嚴(yán)格時(shí)則多數(shù)指交/直流伺服電機(jī)。

與交直流伺服電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)最大的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速均可方便的精確控制，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，它采用順序脈沖驅(qū)動(dòng)，依次序在定子間接入不同脈沖電流次序，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的齒間磁力差距而拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，控制脈沖的數(shù)量直接對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)子的齒步數(shù)，因此不嚴(yán)格要求時(shí)，可以省略位置傳感器，而且停轉(zhuǎn)后有自鎖能力，控制起來(lái)比交直流電機(jī)容易得多，所以是最常用的伺服電機(jī)，特別是在小功率、小體積的電控機(jī)械中居統(tǒng)治地位。

但步進(jìn)電機(jī)最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩比較小、功率比較?。ㄗ畲笠仓皇窃贙W級(jí)別），轉(zhuǎn)動(dòng)的平順性也不算好，一般用于小型機(jī)電系統(tǒng)。

而交直流伺服電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大（可達(dá)數(shù)百kw）、轉(zhuǎn)矩大、速度范圍極高（可以極慢也可以極快），而且轉(zhuǎn)矩順滑、抖動(dòng)小，一般用于大型、高性能數(shù)控系統(tǒng)，但交/直流伺服系統(tǒng)的控制都很復(fù)雜，都需要精確的轉(zhuǎn)角傳感器或者位置傳感器做閉環(huán)控制，算法復(fù)雜，而且成本高昂、體積龐大。

直流伺服電機(jī)一般采用電壓控制，少數(shù)也可以采用電流控制，電壓或電流與電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，控制系統(tǒng)根據(jù)角度傳感器反饋的信號(hào)，控制這個(gè)電機(jī)電壓，最后達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角。

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的不同在于：

1、控制精度不同；

2、控制方式不同：一個(gè)是開環(huán)控制，一個(gè)是閉環(huán)控制；

3、低頻特性不同：步進(jìn)電機(jī)有低頻振動(dòng)現(xiàn)象，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)；

4、矩頻特性不同；

5、過(guò)載能力不同；

6、運(yùn)行性能不同；

從上面可以看出，交流伺服系統(tǒng)在性能方面優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，所以伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)價(jià)格高。

步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分后步距角更小。如鳴志公司（MOONS‘）生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)搭配其SR系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，其步距角可通過(guò)撥碼有16檔細(xì)分可以選擇1.8°、0.9°、0.45°、0.36°、0.225°、0.18°、0.1125°、0.09°、0.072°、0.05625°、0.045°、0.036°、0.028125°、0.018°、0.0144°、0.014°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以M2交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶2500線增量式編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

二、低頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。

抗共振

步進(jìn)系統(tǒng)的一點(diǎn)不足就在于存在著固有的共振點(diǎn)，SR系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)計(jì)算共振點(diǎn)，并以此來(lái)調(diào)整控制算法，從而達(dá)到抑制共振的目的，極大的提高了中頻穩(wěn)定性，使得高速時(shí)有更大的力矩輸出，更優(yōu)異的高速性能。

交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

振動(dòng)抑制

M2伺服系統(tǒng)的振動(dòng)抑制功能包含共振抑制及阻尼減振兩個(gè)部分。

? 共振抑制功能

提供兩組陷波濾波器（Notch Filters），有效地克服由于設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)固有特性造成的共振問(wèn)題。

? 阻尼減振功能

可通過(guò)調(diào)節(jié)控制器提供的阻尼系數(shù)改善整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼特性，從而有效減小系統(tǒng)的振動(dòng)。

三、矩頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

? 相同尺寸下的伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的速度力矩特性比較

四、過(guò)載能力不同

步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以M2交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

五、運(yùn)行性能不同

步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的失步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

六、速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以鳴志400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。