步進電機和交流伺服電機性能綜合比較王志強（天津機電職業技術學院，天津市300131）領域等方面的不同作綜合比較，在此基礎上針對步進電機和交流伺服電機的選型及使用的注意事項做出簡明扼要的總結。
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。
為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。
㈠交流異步伺服電機的主要特點采用自行設計的專用32位cpu對電機進行全數字化控制。
采用自行設計的“快速運動控制語言”，編程簡單，用戶可以自由進行二次技術開發具有平穩的低速大轉矩輸出性能，具有零轉速力矩保持功能。在電機額定轉速以下實現恒轉矩輸出（最大轉矩為電機額定轉矩的300%）額定轉速以上為恒功率輸出30000可以實現大范圍的速度控制。
可對電機的位置、速度、加速度、轉矩進行高精度控制以及具有對多臺電機進行同步或跟隨控制的功能，特別是轉矩與轉速可以分別獨立控制，適于復雜系統的控制要求。
具有通信功能，rs232c，rs422/rs485可由計算機、plc等進行上位控制和運行狀態監視等。
伺服控制器的容量范圍為：0. 8有200v級和400v級2種電壓級別，200v級可使用220v單相電源。
9.具有豐富的輸入輸出功能：可編程模擬量輸入：2通道4可編程模擬量輸出：2通道0（允許最大電流10ma）脈沖列輸入及外部pg輸入：雙pg方式控制。
㈡步進電機的主要特點步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環控制。現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等。
和實踐研究。
步進電機的一些基本參數。
⑴電機固有步距角。它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機給出的值為0.9°1.8°（表示半步工作時為0. 9°整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，'它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。
⑵步進電機的相數。是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°1.8°三相的為0.75°1.5°五相的為在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，貝i丨相數‘將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。
⑶保持轉矩（holdingtorque）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2n.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2n.m的步進電機。
wdetenttorque是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。
2步進電機的一些特點：⑴一般步進電機的精度為步進角的3―5%，且不累積。
⑵步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80― 90度完全正常。
⑶步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，則電機的速度越大，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
⑷步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機還有一個重要技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）㈢反應式步進電機原理結構。電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/ 3t、萬3t，（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以t表示）即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/3t，c與齒3向右錯開2/3工，a與齒5相對齊，（a就是a，齒5就是齒1）旋轉。如a相通電，b，c相不通電時，由于磁場作用，齒1與a對齊，（轉子不受任何力以下均同）如b相通電，a，c相不通電時，齒2應與b對齊，此時轉子向右移過1/3t，此時齒3與c偏移為1/3t，齒4與a偏移（t一1/ =2/3t.如c相通電，a，b相不通電，齒3應與c對齊，此時轉子又向右移過1/3t，此時齒4與a偏移為1/3t對齊。如a相通電，b，c相不通電，齒4與a對齊，轉子又向右移過1/3t這樣經過a、b、ca分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到a相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按a，bca通電，電機就每步（每脈沖）1/3t，向右旋轉。如按a，cb，a通電，電機就反轉。
由此可見，電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用a―ab―b―bc―c一ca―a這種導電狀態，這樣將原來每步1/3t改變為1/6t.甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3t變為v12t，1/24t，這就是電機細分驅動的基本理論依據。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m，2/m（m―且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制，這是步進電機旋轉的物理條件。
力矩。電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量少）當轉子與定子錯開一定角度產生力f與（邊/出）成正比s其磁通量少=brx s，br為磁密，s為導磁面積，f與lx dxbr成正比，l為鐵芯有效長度，d為轉子直徑心i為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）r為磁阻。
很明顯，力矩與“電機有效體積x安匝數x磁密”成正比（只考慮線性狀態）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
㈣感應子式步進電機原理1.特點。感應子式步進電機與傳統的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。
感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。
（必須米用雙極電壓驅動）而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（a―ab―bbc―c一cd―dda―a）完全可以采用二相八拍運行方式。不難發現其條件為c=，d=―個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態特點，往往將其外部接線為八根引線（四相）這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。
2分類。感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42byg（byg為感應子式步進電機代號）、57byg、86byg、110byg、（國際標準），而像70byg、90byg、130byg等均為國內標準。
（一控制精度不同兩相混合式步進電機步距角一般為3 6°1.8五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09德國百格拉公司生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1. 8°0.9°0.720.36°0.18°0.090.0720.036兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°10000=0.036°對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217= 131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655.（二）低頻特性不同步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。
交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（fft），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
㈢矩頻特性不同步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300~600rpm.交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000rpm或3000rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。
（四）過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
㈤運行性能不同步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
㈥速度響應性能不同步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200 ~400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下msma400交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000rpm僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。
㈦應用領域不同步進電機因自身的性能特點使得它在速度、位置等控制領域的用途得心應手，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環控制。
交流永磁伺服驅動系統，能提供最高水平的動態響應和扭矩密度。以便使系統性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產率、更好的可靠性和更長的壽命。因此，交流伺服這樣一種扮演重要支柱技術角色的自動控制系統，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造、辦公自動化設備、雷達和各種軍用武器隨動系統、以及柔性制造系統等等。
三、注意點總結㈠步進電機1.步進電機應用于低速場合。每分鐘轉速不超過1000轉（0.9度時6666pps），最好在100a-3000pps（0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
2步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大3.由于歷史原因，只有標稱為12v電壓的電機使用12v外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：7byg采用直流24v36v，86byg采用直流50v，110byg采用高于直流80v）當然12伏的電壓除12v恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。
4轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。
電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
高精度時，應通過機械減速、提高電機速度，或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。
電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。
對于發展高性能交流伺服系統來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統控制理論的傳統控制策略的“集成‘得以實現，并為其實際應用奠定了物質基礎。
交流伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統”，同時，伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高性能伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發展高性能交流伺服系統的一個主要突破口。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
