步进电机和伺服电机的综合比较探究

步进电机和伺服电机的综合比较探究

秦凯、冀旭、李晓兰、余聪、杜晓阳

内蒙古一机集团宏远电器股份有限公司

　摘要：随着我国经济的迅速发展，中国逐渐成为世界上的加工中心。随着一步一步的电动机和一个伺服电动机的出现，控制电路的精度大大提高。步进电机它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。伺服电机是把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。　　

关键词：步进电机；伺服电机；综合比较

引言

步进电机作为现代数字控制技术当中的一种重要形式，其技术水平与发展情况对数字控制技术具有重要现实意义。当前，我国在数字控制技术研究方面的能力有限，步进电机在生产生活当中的应用相对普遍，而全数字交流伺服电机系统的产生使得其在数字控制研究过程中的比重越来越大，加强对步进电机以及伺服电机两者之间的比较研究具有关键性意义。本文通过说明两者之间的特点和工作原理，进一步分析了两者之间的区别，给实际生产运用提供了参考[1]。　　

一、步进电机和伺服电机的特点

　　（一）步进电机特点

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。步进电机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，也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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。

　　（二）伺服电机特点

　　常用的伺服电机是交流异步伺服电机，主要具备以下特点：采用自行设计的专用32位CPU对电机进行全数字化控制；通过自设方式，便于系统操作，这个过程中用户能够完成二次开发；具有平稳的低速大转矩输出性能，具有零转速力矩保持功能；可对电机的位置、速度、加速度、转矩进行高精度控制以及具有对多台电机进行同步或跟随控制的功能，特别是转矩与转速可以分别独立控制，适于复杂系统的控制要求；具有通信功能，RS232C，RS422/RS485，可由计算机、PLC等进行上位控制和运行状态监视等；伺服控制器的容量范围为0.1kW～185kW；具有丰富的输入输出功能等[2]。

二、步进电机和伺服电机的工作原理
　　（一）步进电机的工作原理
　　步进电机可以将电脉冲信号转换为机械信号，步进电机每发送一个电脉冲，就可以使其旋转一个固定的角度，称为步距角。步距角的大小由其转子齿数Zr和拍数N所决定。当连续给电机发送多个电脉冲信号时，就可以使其进行连续运行。此外，可以通过改变发送的电脉冲信号的频率来控制电机转动的速度，从而实现精确定位和调速的目的。
　　（二）伺服电机的工作原理
　　伺服电机内部也同样由定子和转子组成，其转子是永磁铁，驱动器控制的三相电首先在定子绕组中形成电磁场，而转子在这种电磁场的作用下发生旋转，与此同时伺服电机通过编码器将转动信号反馈给驱动器，通过闭环调节在驱动器内调整转子转动的角度，从而实现精确的定位控制。
　　三、步进电机和伺服电机的性能综合比较
　　（一）控制精度不同
　　步进电机设备的步距角通常情况下为固定值，例如四通公司制造的一张应用在慢走丝机床当中的不仅电机，其步距角就为固定值0.09°。而两相混合式步进电机产生的步距角达到1.8°。另外一些性能更好的电机可能在进行步距角设计时角度更小。伺服电机的控制精度通常情况下由电机轴旋转编码器完成控制。标准型号电机当中的编码器主要使用的是4倍频技术编码，其脉冲当量能够达到0.036°[3]。
　　（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。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，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。伺服本身是没有保持力矩的，而步进电机有保持力矩。区别在于，伺服电机的所谓静止，实际上是一个动平衡的过程，电机不会真的停在指定位置上。

　　（四）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。
　　（五）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，其具有速度过载和转矩过载能力，最大转矩为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因没有这种过载能力，在选型时为克服惯性力矩，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。
　　（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MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速3000r/min仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。因为交流伺服可以有瞬间大扭矩输出，所以加速性能可能比步进强，但是说到响应，伺服总是受其响应频率限制，而步进电机基本不用考虑响应时间的问题。
　　四、注意事项
　　（一）步进电机
　　（1）采用步进电机控制系统多应用在低速控制环境当中，步进电机产生转速低于1000转的时候应当在1000-3000pps环境当中使用。这是因为这个过程中产生的效率相对更高，且噪音较低。

　（2）在运行步进电机的过程中可以尽可能避免使用整步状态，这是因为整步状态下振动频度相对更高。
　　（3）步进电机不应在振动区内工作，如若必须，则可添加阻尼或通过改变电压，电流解决。
　　（4）步进电机在运行的过程中转速提升采用的是渐进提升方式，而不在工作速度启动，之所以采用这种方式的主要原因是防止出现失步以及降低噪音。并且能够提升停止定位准度。
　　（二）交流伺服电机
　　（1）交流伺服电机可以用在会受水或油污侵蚀的场所，但它也不是完全防水或放油，因此，不应当用于水中或油液当中。
　　（2）如果与减速齿轮连接使用，应当加油封，以防止减速齿轮箱内的油液进入其中。
　　（3）在安装和运转时，确保加在伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在特定型号的规定值以内。
　　五、结语
综上所述，交流伺服电机的性能在许多方而都好于步进电机。但是由于价格等原因，在一些控制要求不高的场合也可以使用步进电机作为执行机构。所以，在实际工业生产控制中，要综合考虑控制要求、性能、成本、环境等多方面因素，进而选择合适的控制电机。
　　参考文献：
　　[1]司鹏辉.步进电机和交流伺服电机性能综合比较[J].电子测试,2015(13)
　　[2]鲁炳林,徐衍亮,辛峰.定子永磁和转子永磁混合式步进电机性能比较研究[J].中国电机工程学报,2017,37(21)
　　[3]段宝利,徐晓东.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].自动化与仪器仪表,2017(2)