步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)都是運(yùn)動(dòng)控制用途的伺服單元，都可以精確控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和速度。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在省人工的大時(shí)代背景下，都得到大量的使用。雖然兩者在位置控制方式上十分相似(脈沖串和方向信號(hào))，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8°，三相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角為1.2°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。步進(jìn)電機(jī)在使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)以后，控制精度得到提高，兩相步進(jìn)電機(jī)可以分辨的步數(shù)約為51200步/轉(zhuǎn)，也有控制精度更高的，但成本會(huì)比較貴。

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線(xiàn)編碼器的伺服電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。

值得注意的是，相當(dāng)一部分人認(rèn)為交流伺服精度極高，這個(gè)認(rèn)識(shí)是有誤區(qū)的，就算你100倍電子齒輪，甚至用30000線(xiàn)的編碼器，其實(shí)沒(méi)有什么作用，伺服電機(jī)也無(wú)法分辨那么小的步數(shù)。編碼器的反饋結(jié)果無(wú)非讓伺服驅(qū)動(dòng)器反復(fù)對(duì)齒。

相對(duì)于絕大多數(shù)用戶(hù)而言，無(wú)論是機(jī)械傳動(dòng)精度，還是光電傳感器來(lái)定位精度，都沒(méi)有步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)的物理精度高，單方面追求電機(jī)的最高精度是沒(méi)有必要的。

二、矩頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在0～900RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為1000~3000RPM)以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。

伺服電機(jī)輸出力矩的矩頻特性平穩(wěn)，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在需要速度較高的環(huán)境，在低速時(shí)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有意義，以57步進(jìn)和60系列400W伺服電機(jī)來(lái)比較，矩頻特性如下：

如上圖所示紅色為伺服電機(jī)矩頻特性，藍(lán)色部分為混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性。

三、過(guò)載能力不同

步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)具有2到3倍的速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)必須根據(jù)負(fù)載的扭矩和運(yùn)動(dòng)特性來(lái)考慮，并優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)的加減速曲線(xiàn)。

四、運(yùn)行性能不同

步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速時(shí)的加減速控制程序問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。伺服電機(jī)是閉環(huán)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)修正丟失的脈沖，在堵轉(zhuǎn)時(shí)也可以及時(shí)給控制器反饋，而步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，必須通過(guò)足夠的力矩余量來(lái)避免堵轉(zhuǎn)。

五、速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要100～2000毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM最短僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在一些性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，但是步進(jìn)電機(jī)有其自身的特性，不會(huì)被完全取代。

1、交流伺服精度略高于步進(jìn)電機(jī)，但是大多數(shù)場(chǎng)合，步進(jìn)電機(jī)的分辨率已經(jīng)遠(yuǎn)高于機(jī)械要求的精度;

2、雖然矩頻特性不同，但是并不是所有設(shè)備應(yīng)用都是需要高速度的，步進(jìn)電機(jī)的低速大力矩，通常電機(jī)轉(zhuǎn)速要求900rpm以?xún)?nèi)適合使用步進(jìn)電機(jī)，更高速度適合使用交流伺服電機(jī);

3、交流伺服有很強(qiáng)的過(guò)載能力，但是部分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也具有一定的過(guò)載能力，而且在過(guò)載能力和保留足夠力矩余量之間可以做一個(gè)性?xún)r(jià)比的選擇;

4、速度響應(yīng)頻率不同，這是選擇步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的又一個(gè)重要因素。高響應(yīng)頻率是交流伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

5、前面提到了交流伺服電機(jī)的精度，大部分用戶(hù)并不知道交流伺服電機(jī)在高分辨率低速度時(shí)會(huì)反復(fù)對(duì)位置，以至于出現(xiàn)微抖動(dòng)，在一些極高精度的設(shè)備上，比如精密玉石雕刻機(jī)，高精度低速機(jī)器人上，這樣的抖動(dòng)會(huì)造成圓弧上的鋸齒，或者模糊。而特殊處理過(guò)的步進(jìn)電機(jī)確可以解決這一問(wèn)題，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不會(huì)反復(fù)對(duì)齒。

6、在一些分度控制的應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到角度停止，鎖定力矩較大，交流伺服則是在受外力位置丟失以后再找回位置，這個(gè)過(guò)程可能造成加工誤差。

7、步進(jìn)電機(jī)的成本便宜很多，簡(jiǎn)單易用，所以步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)?yīng)的負(fù)載，應(yīng)該優(yōu)先考慮選用步進(jìn)電機(jī)方案。事實(shí)上，步進(jìn)電機(jī)近十年來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，在步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的步進(jìn)伺服電機(jī)在一些方面的表現(xiàn)會(huì)優(yōu)于伺服電機(jī)，例如需要快速來(lái)回?cái)[動(dòng)的情況下，而步進(jìn)伺服電機(jī)的成本還是比普通交流伺服電機(jī)便宜不少，會(huì)取代一些小功率的交流伺服電機(jī)。