步进电机和伺服电机的比较

宁波理工学院

机电液一体化作业

题 目 步进电机和伺服电机的比较 学 院 机能分院 授课教师 陈俊华老师 专 业 机械电子工程

姓 名 蔡 炳 清 学 号 s20110113 完成日期 2012年6月2日

步进电机和伺服电机的比较

摘要：通过介绍步进电机和伺服电机的工作原理，着重描述了步进电机和伺服电机二者的区别，对二者在选型时进行了比较，在控制系统的设计过程中要综合考虑，选用适当的控制电机。

关键词：步进电机伺服电机工作原理

随着我国经济迅猛发展，中国逐渐成为世界的加工中心。随着步进电机和伺服电机的出现，大大提升了控制回路的精度。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。

1 步进电机和伺服电机的工作原理

1.1 步进电机的工作原理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。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。

1.2 伺服电机的工作原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

2 步进电机和伺服电机的区别

2.1 控制的方式不同步进电机是通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角。伺服电机是通过控制脉冲时间的长短控制转动角度的。

2.2 所需的工作设备和工作流程不同步进电机所需的供电电源（所需电压由驱动器参数给出），一个脉冲发生器（现在多半是用板块），一个步进电机，一

个驱动器（驱动器设定步距角角度，如设定步距角为0.45°，这时，给一个脉冲，电机走0.45°）；其工作流程为步进电机工作一般需要两个脉冲：信号脉冲和方向脉冲。伺服电机所需的供电电源是一个开关（继电器开关或继电器板卡），一个伺服电机；其工作流程就是一个电源连接开关，再连接伺服电机。

2.3 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。

2.4 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300～600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000 或3000 r/min）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

2.5 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。

2.6 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200～400ms。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，从静止加速到其额定转速3000 r/min。仅需几ms，可用于要求快速启停的控制场合。

3 步进电机和伺服电机在造型时的比较 3.1 步进电机在造型时的要点

3.1.1 选择保持转矩保持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转动

时，定子锁住转子的力矩。由于步进电机低速运转时的力矩接近保持转矩，而步进电机的力矩随着速度的增大而快速衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以说保持转矩是衡量步进电机负载能力最重要的参数之一。

3.1.2 选择相数两相步进电机成本低，步距角最少1.8 度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合；三相步进电机步距角最少1.5 度，振动比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之30 至50，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合；5 相步进电机步距角更小，低速性能好于3 相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场合。

3.1.3 选择电机应遵循先选电机后选驱动器原则，先明确负载特性，再通过比较不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机；精度要求高时，应采用机械减速装置，以使电机工作在效率最高、噪音最低的状态；避免使电机工作在振动区，如若必须则通过改变电压、电流或增加阻尼的方法解决；电源电压方面，建议57 电机采用直流24V- 36V、86 电机采用直流46V、110 电机采用高于直流80V；大转动惯量负载应选择机座号较大的电机；大惯量负载、工作转速较高时，电机而应采用逐渐升频提速，以防止电机失步、减少噪音、提高停转时的定位精度；鉴于步进电机力矩一般在40Nm 以下，超出此力矩范围，且运转速度大于1000RPM时，即应考虑选择伺服电机。

3.1.4 选择驱动器和细分数最好不选择整步状态，因为整步状态时振动较大；尽量选择小电流、大电感、低电压的驱动器；配用大于工作电流的驱动器、在需要低振动或高精度时配用细分型驱动器、对于大转矩电机配用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能；在电机实际使用转速通常较高且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选择高细分数驱动器，以便节约成本；在电机实际使用转速通常很低的条件下，应选用较大细分数，以确保运转平滑，减少振动和噪音；总之，在选择细分数时，应综合考虑电机的实际运转速度、负载力矩范围、减速器设置情况、精度要求、振动和噪音要求等。

3.2 伺服电机在造型时的要点

3.2.1 负载/ 电机惯量比正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能前提，此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，伺服系统参数的高速跟惯量比有很大关系，若负载电机惯量比过大，伺服参数调整越趋边缘化，也越难高速，振动抑制能力也越差，所以控制易变得不稳定；在没有自适应调整的情况下，伺服系统的默认参数在1～3 倍负载电机惯量比下，系统会达到最佳工作状态，这样，就有了负载电机惯量比的问题，也就是我们一般所说的惯量匹配，如果电机惯量和负载惯量不匹配，就会出现电机惯量和负载惯量之间动量传递时发生较大的冲击。

3.2.2 选择转速电机选择首先应依据机械系统的快速行程速度来计算，快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内，并应在接近电机的额定转速的范围使用，以有效利用伺服电机的功率；额定转速、最大转速、允许瞬间转速之间的关系为：允许瞬间转速＞最大转速＞额定转速。伺服电机工作在最低转速和额定转速之间时为恒转矩调速，工作在额定转速和最大转速之间时为恒功率调速；在运行过程中，恒转矩范围内在转矩是负载的转矩决定；恒功率范围内的功率是负载的功率决定；恒功率调速是指电机低速时输出转矩大，高速时输出转矩小，即输出功率是恒定的；恒转矩调速是指电机高速、低速输出转矩一样大，即高速时输出功率大，低速时输出功率小。

3.2.3 选择转矩伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的3倍。需要注意的是，连续工作的负载转矩≤伺服电机的额定转矩，机械系统所需要的最大转矩＜伺服电机输出的最大转矩。在进行机械方面的校核时，可能还要考虑负载的机械特性类型，负载的机械特性类型一般有：恒转矩负载、恒功率负载、二次方律负载、直线负载、混合负载。

3.2.4 短时间特性（加减速转矩） 伺服电机除连续区域外，还有短时间内的运转特性如电机加减速，用最大转矩表示；即使容量相同，最大转矩也会因各电机而有所不同。最大转矩影响驱动电机的加速时间常数，使用公式估算线性加速时间常数，根据该公式确定所需的电机最大转矩，选定电机容量。

3.2.5 连续特性（连续实效负载转矩） 对要求频繁起动、制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查它在一个周期内电机转矩的圴方根值，并使它小于电

机连续额定转矩，其具体计算可参考其它文献。在选择的过程中依次计算此五要素来确定电机型号，如果其中一个条件不满足则应采取适当的措施，如变更电机系列或提高电机容量等。

4 步进电机和伺服电机的应用

步进电动机及其驱动器构成伺服驱动单元，它与微型计算机可构成开环点位控制、连续轨迹控制甚至半闭环控制等。经济型数控机床以微型计算机为控制核心，ISO 数控标准代码编程，用软件实现数控装置全部功能，采用大功率步进电动机直接驱动机床工作台，组成了全数字化开环数控装置。伺服电机广泛应用于对精度有较高要求的机械设备，如印刷设备、机床和CNC 数控设备、装配线和材料夹持自动生产、印刷设备、打浆成纸及网面处理和自动机载系统包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。

5 结束语

在了解了步进电机和伺服电机的性能区别和二者在造型时应注意的要点，不难发现伺服电机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，使用步进电机，控制器的设计相对比较容易，易于实现；选用交流伺服电机来设计控制系统，其成本比选用步进电机高。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。