步进电机和交流伺服电机性能比较

步进电机和交流伺服电机性能比较 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。

步进电机控制概述

步进电机系统可分为两大部分，即：步进电机+驱动器。 在上图中控制系统还不完整，还要有脉冲信号源整个步进电机系统才能运转起来。 在实际中，步进电机驱动器要求的控制信号要复杂一些，举例如下： 驱动器要求的脉冲信号一般为TTL电平兼容的方波信号，而步距角选择和电机使能信号为TTL电平信号。 用普通脉冲频率发生器可对步进电机进行速度控制（手工调节脉冲频率输出旋钮），但它不能精确控制所输出的脉冲数，也就不的旋转角度。根据应用需要，用户可用6020系列板卡组成更复杂的步进电机控制系统，如下图：

上位机：上位机（工业PC）通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，可向控制卡发送位置、速度、加速度命令。 步进电机控制卡：控制卡根据主机的命令产生脉冲序列，脉冲个数（位置）、频率（速度）及频率变化率（加速度）均受主机控步进电机驱动器：步进电机驱动器根据接收到的脉冲信号，产生多拍节脉冲驱动信号控制步进电机旋转。 应用范围：步进电机控制系统比伺服系统要经济，它适用于不需要位置反馈的场合。

1.什么是步进电机?

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及 步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的； 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的 目的。 2.步进电机分哪几种? 步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB） 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振 动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进 角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）? 保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转 子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近 保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速 度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如， 当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步 进电机。 4.什么是DETENT TORQUE? DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于 反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 5.步进电机精度为多少？是否累积? 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 6.步进电机的外表温度允许达到多少? 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步， 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以 上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降? 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反 向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从 而导致力矩下降。 8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声? 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启 动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵 转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频 率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电 机转速从低速升到高速）。 9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声? 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。 10.细分驱动器的细分数是否能代表精度? 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目 的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个 附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的 细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达 到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂 家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。 11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别? 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法 或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用， 此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法 一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为 电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。 12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源? A.电压的确定 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483 的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要 求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但 注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。