步进电机和交流伺服电机性能比较 点击：27616 | 回复：254
发表于：2005-04-13 19:32:00
楼主
步进电机和交流伺服电机性能比较
步进电机和交流伺服电机性能比较
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。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。现就二者的使用性能作一比较。
一、控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电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机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，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位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
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。
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。
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。
四、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三倍，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。
五、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。
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MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统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。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。
发表于：2005-05-28 13:57:00
21楼
刘兄论证精辟啊！有理有据！
楼主的这样的贴子也不只看过多少遍了，几乎各个工控论坛都有，一直都认为是经典，从来也没有怀疑过；虽然实际中碰到过一些问题，有时也感觉交流伺服似乎不如步进，但是从没怀疑过交流伺服系统的优越性。因为楼主的贴子也是十分经典-----虽然里面有些疑问。
比如：松下加到3000RPM用几毫秒。我在实际中，几乎给了最大的参数，也没有到过3000RPM。当然，即使到了2000RPM几乎也用了10多ms.还以为自己的电机有问题呢。
还请问刘兄一点：
交流伺服电机在位置控制模式下，滞后现象比较严重；但是步进马达也是接受脉冲，它的滞后就不用考虑了吗？为什么？
做学问的真的是讲究求实。
真做过并且应用到实际中才有发言权。
主席的话永远是对的：没有调查就没有发言权。
发表于：2005-06-04 11:52:00
30楼
伺服和步进各有优缺点，都有彼此无法替代的特点：
1、在控制精度上，我个人的想法一般情况下还是伺服优于步进，步进是有细分，但细分高于40以上还有实际意义吗？256细分的步角已经出现大小步的现象了，如何谈精度？个人认为40以上的细分已经不能作为定位了，只能为了加强运行的平滑性，而伺服电机可以通过外部的编码器分辨率的加大来提高精度。
2、伺服在微动或定位保持上确实是一种动态的平衡，它是系统通过检测的位置信号进行的负反馈PID调节，它低于一个编码器分辨率时的微动不响应，定位保持时也是动态的响应外部负载而随时改变力矩以达到动态的静平衡，保持精度比步进差。
3、由于步进电机驱动通常带有细分，而停止时通常会停止在细分点也就是不是磁极点上，那么停电后再次上电时驱动器不会按照停止时的各相电流进行分配，那么出现了步进电机重新上电时通常会出现强烈的小振一下，也就是转子迅速与初始定子磁场对应，而伺服没有该现象。
4、关于响应时间，步进在其启动频率和加速允许的条件下确实可以做到比伺服快的多频繁正反向启动停止，但其有严格的启动频率和加速要求，如果是高频启动，例如：单次的0到1000转/分（普通步进只能几百转/分，举例按能达到高速的3相混合步进算），伺服从接到脉冲到整定结束的时间会比步进的加速时间快。
5、关于最高速和步进有丢步问题上：伺服优势明显。
6、伺服由于有PID调节，会有整定时间的问题，该时间会随速度的高低和负载的变化而变化，该整定时间可控性差。整定时间与加减速时间不同，整定时间由系统PID增益、积分时间常数、设定速度值等等因素影响。步进却没有整定时间的概念，加减速时间简单可控制。
7、转矩的控制上，步进的电机的转矩会随着速度的变化而明显改变，在高速区域会随着速度的变化产生强烈的下降；伺服在额定转速内最大转矩为恒力矩输出，而且伺服可以进行力矩控制，这是步进无法做倒的。
8、价格上，步进优势很明显。
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