孫煥彬

摘 要：我國(guó)在數(shù)字控制技術(shù)研究方面的能力有限，步進(jìn)電機(jī)在生產(chǎn)生活當(dāng)中的應(yīng)用相對(duì)普遍，而全數(shù)字交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)生使得其在數(shù)字控制研究過程中的比重越來越大，加強(qiáng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)兩者之間的比較研究具有關(guān)鍵性意義。本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單概括，并對(duì)兩者的性能進(jìn)行了綜合比較。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；伺服電機(jī)；性能；綜合比較

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。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)。雖然兩者在控制方式上相似（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。

一、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特點(diǎn)

（一）步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電機(jī)通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

（二）伺服電機(jī)特點(diǎn)。常用的伺服電機(jī)是交流異步伺服電機(jī)，主要具備以下特點(diǎn)：采用自行設(shè)計(jì)的專用32位CPU對(duì)電機(jī)進(jìn)行全數(shù)字化控制；通過自設(shè)方式，便于系統(tǒng)操作，這個(gè)過程中用戶能夠完成二次開發(fā)；具有平穩(wěn)的低速大轉(zhuǎn)矩輸出性能，具有零轉(zhuǎn)速力矩保持功能；可對(duì)電機(jī)的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行高精度控制以及具有對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行同步或跟隨控制的功能，特別是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可以分別獨(dú)立控制，適于復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求；具有通信功能，RS232C，RS422/RS485，可由計(jì)算機(jī)、PLC等進(jìn)行上位控制和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等；伺服控制器的容量范圍為0.1kW～185kW；具有豐富的輸入輸出功能等。

二、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性能綜合比較

（一）控制精度不同。步進(jìn)電機(jī)設(shè)備的步距角通常情況下為固定值，例如四通公司制造的一張應(yīng)用在慢走絲機(jī)床當(dāng)中的不僅電機(jī)，其步距角就為固定值0.09°。而兩相混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的步距角達(dá)到1.8°。另外一些性能更好的電機(jī)可能在進(jìn)行步距角設(shè)計(jì)時(shí)角度更小。伺服電機(jī)的控制精度通常情況下由電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器完成控制。標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)電機(jī)當(dāng)中的編碼器主要使用的是4倍頻技術(shù)編碼，其脈沖當(dāng)量能夠達(dá)到0.036°。

（二）低頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

（三）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300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。伺服本身是沒有保持力矩的，而步進(jìn)電機(jī)有保持力矩。區(qū)別在于，伺服電機(jī)的所謂靜止，實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)平衡的過程，電機(jī)不會(huì)真的停在指定位置上。

（四）運(yùn)行性能不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。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)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

（五）過載能力不同。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力；交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，其具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，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)因沒有這種過載能力，在選型時(shí)為克服慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

（六）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200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速3000r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。因?yàn)榻涣魉欧梢杂兴查g大扭矩輸出，所以加速性能可能比步進(jìn)強(qiáng)，但是說到響應(yīng)，伺服總是受其響應(yīng)頻率限制，而步進(jìn)電機(jī)基本不用考慮響應(yīng)時(shí)間的問題。

三、結(jié)語

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)進(jìn)行綜合比較發(fā)現(xiàn)，交流伺服電機(jī)具有多方面的性能優(yōu)勢(shì)，但是在一些特定場(chǎng)合當(dāng)中更宜采用步進(jìn)電機(jī)?？傊谶M(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化的過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮實(shí)際情況，選擇合適的控制電機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性能綜合比較[J].伺服控制，2013，02：18-19.