步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的綜合比較

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)是自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中常用的執(zhí)行電機(jī)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分相似，但事實(shí)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(diǎn)和工作原理，進(jìn)一步分析了兩者之間的區(qū)別，給實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用提供了參考。

一、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)

（一）步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)

1.步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差。一般來說，步進(jìn)電機(jī)的精度大約是其實(shí)際步距角的3～5%，且不會(huì)累積。

2.步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，電脈沖信號(hào)會(huì)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(jìn)電機(jī)與其它電機(jī)不同，其實(shí)際工作電壓和電流可以超過額定大小，但選擇時(shí)不應(yīng)偏離額定值太多。

4.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度可以達(dá)到80-90° C。

5.步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨著其頻率（或速度）的增大而降低。

6.混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍。

7.可以通過將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可改變其旋轉(zhuǎn)方向。

（二）伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)

1.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，當(dāng)一旦給定子提供控制電壓，轉(zhuǎn)子就會(huì)立即轉(zhuǎn)動(dòng)，所以伺服電機(jī)具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

2.運(yùn)行范圍比較廣。

3.不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)一旦失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

二、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的工作原理

（一）步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)每發(fā)送一個(gè)電脈沖，就可以使其旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為步距角。步距角的大小由其轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr和拍數(shù)N所決定。當(dāng)連續(xù)給電機(jī)發(fā)送多個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，就可以使其進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行。此外，可以通過改變發(fā)送的電脈沖信號(hào)的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而實(shí)現(xiàn)精確定位和調(diào)速的目的。

（二）伺服電機(jī)的工作原理

伺服電機(jī)內(nèi)部也同樣由定子和轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的三相電首先在定子繞組中形成電磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子在這種電磁場(chǎng)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)伺服電機(jī)通過編碼器將轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)器，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位控制。

三、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別

1.控制精度的不同

步進(jìn)電機(jī)是通過發(fā)送電脈沖信號(hào)的數(shù)量來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)步距角，兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為 3. 6°或1. 8°，而五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角可以達(dá)到0. 72° 或0. 36°。而伺服電機(jī)是通過控制發(fā)送脈沖時(shí)間的長(zhǎng)短來控制電機(jī)所旋轉(zhuǎn)的角度，其精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器所保證的，精度往往可以達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的幾千分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的定位控制。

2.低頻特性的不同

在低速運(yùn)行時(shí)步進(jìn)電機(jī)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。其振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器本身的性能有關(guān)，一般來說，振動(dòng)頻率大概是電機(jī)空載時(shí)起跳頻率的一般。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，需要額外采用阻尼技術(shù)等來減弱低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如可以在電機(jī)上加阻尼器或者是在驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。而交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，不論在低速運(yùn)行還是高速運(yùn)行時(shí)都不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象，因?yàn)槠渚哂泄舱褚种频墓δ?，可涵蓋機(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。

3.矩頻特性的不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而降低，并且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)急劇的下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般需要控制在每分鐘300到600轉(zhuǎn)。而交流伺服電機(jī)在運(yùn)行時(shí)屬于恒定轉(zhuǎn)矩的輸出狀態(tài)，所以在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能輸出額定得轉(zhuǎn)矩，需要注意的是，當(dāng)在額定轉(zhuǎn)速以上工作時(shí)，則為恒功率輸出。

4.過載能力的不同

步進(jìn)電機(jī)一般不具備過載能力，而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。例如松下交流伺服系統(tǒng)就同時(shí)具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載的能力，最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍左右，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性轉(zhuǎn)矩。但是步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，所以在選型時(shí)為了克服慣性轉(zhuǎn)矩，一般需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，在正常啟動(dòng)之后又只需要用到小部分能量，從而容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩浪費(fèi)的情況。

5.運(yùn)行性能的不同

步進(jìn)電機(jī)所使用的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易都會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，同時(shí)在停止過程中如果轉(zhuǎn)速過高也容易出現(xiàn)過沖情況。而交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行過程中會(huì)對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，一般也不會(huì)出現(xiàn)失步或過沖的現(xiàn)象，控制和運(yùn)行性能更加可靠。

6.響應(yīng)能力的不同

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

四、結(jié)論

綜上所述，交流伺服電機(jī)的性能在許多方而都好于步進(jìn)電機(jī)。但是由于價(jià)格等原因，在一些控制要求不高的場(chǎng)合也可以使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)控制中，要綜合考慮控制要求、性能、成本、環(huán)境等多方面因素，進(jìn)而選擇合適的控制電機(jī)。

（作者單位：無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）