步进电动机与伺服电动机的性能比较

　　摘要：电动机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。随着工业自动化系统的发展，步进电动机和伺服电动机较普通电动机运行更平稳、控制精度更高。这种驱动方式被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

　　关键词：步进电动机伺服电动机自动化控制控制精度

　　作者：刘冰

　　在目前国内的自动控制系统中，步进电动机的应用十分广泛。随着伺服系统的出现，交流伺服电动机也越来越多地应用于自动控制系统中。为了适应自动控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电动机或交流伺服电动机作为执行电动机。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。

　　一、控制精度不同

　　步进电动机的控制精度由步距角和驱动器细分保证，两相混合式步进电动机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电动机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电动机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电动机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电动机，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动机的步距角。

　　交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电动机为例，对于带标准2500线编码器的电动机而言，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位编码器的电动机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲，电动机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电动机的脉冲当量的1/655。

　　二、低频特性不同

　　步进电动机存在着低频振动区。低频振动频率与步进电动机的相数、步距角、负载情况和驱动器性能有关。一般认为振动频率为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动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。当步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

　　交流伺服电动机运转非常平稳，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，可弥补机械的刚性不足，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

　　步进电动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300～600

　　r／min。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000r／min或3000r／min）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

　　步进电动机一般不具有过载能力。交流伺服电动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3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动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动机，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

　　步进电动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，高速运行时停止易出现过冲的现象，步进电动机升、降速特性是保证其控制精度的重要指标。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，由于伺服系统控制精度高，动态响应快，一般不会出现步进电动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

　　步进电动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交流伺服电动机为例，从静止加速到其额定转速3000r／min仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

　　由此可以看出，伺服电动机与步进电动机相比，具有以下几点优势：

　　一是实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电动机的失步问题；

　　二是伺服电动机高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000r／min；

　　三是伺服电动机过载能力强，能承受3倍于额定转矩的负载，特别适用于对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合；

　　四是伺服电动机低速运行平稳，在低速运行时不会产生类似于步进电动机的步进运行现象，适用于有高速响应要求的场合；

　　五是伺服电动机加、减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内；

　　六是伺服电动机发热和噪声明显低于步进电动机。