步進電動機與伺服電動機的性能比較

摘要：電動機作為驅(qū)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(yè)自動化系統(tǒng)的發(fā)展，步進電動機和伺服電動機較普通電動機運行更平穩(wěn)、控制精度更高。這種驅(qū)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(nèi)的自動控制系統(tǒng)中，步進電動機的應用十分廣泛。隨著伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電動機也越來越多地應用于自動控制系統(tǒng)中。為了適應自動控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電動機或交流伺服電動機作為執(zhí)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)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(qū)動器內(nèi)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(qū)動器每接收217=131072個脈沖，電動機轉(zhuǎn)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(qū)。低頻振動頻率與步進電動機的相數(shù)、步距角、負載情況和驅(qū)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(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)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(xiàn)象，比如在電動機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術等。

交流伺服電動機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可彌補機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

三、矩頻特性不同

步進電動機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（一般為2000r／min或3000r／min）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。

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(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的電動機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

五、運行性能不同

步進電動機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，高速運行時停止易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電動機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，由于伺服系統(tǒng)控制精度高，動態(tài)響應快，一般不會出現(xiàn)步進電動機的丟步或過沖的現(xiàn)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(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，以松下MSMA 400W交流伺服電動機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)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(yōu)勢：

一是實現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)，在低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電動機的步進運行現(xiàn)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(tài)響應時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；

六是伺服電動機發(fā)熱和噪聲明顯低于步進電動機。

（作者單位：淄博市技師學院）