步进电机和交流伺服电机性能比较

LAOKAI · 发表于 2006-9-13 14:16:34

<TABLE style="BORDER-COLLAPSE: collapse" borderColor=#111111 height=371 cellSpacing=0 cellPadding=0 border=0>
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align=center>步进电机和交流伺服电机性能比较</TD></TR>
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class=MsoNormal style="MARGIN-LEFT: 8px; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 8px">    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。
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class=MsoNormal style="MARGIN-TOP: 0px; MARGIN-BOTTOM: 0px; mso-list: l1 level1 lfo1; tab-stops: list 42.0pt">1.控制精度不同<?XML:NAMESPACE PREFIX = O /><O

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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。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。<O

> </O:P>
<O:P>2.低频特性不同</O:P>
    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。
3.矩频特性不同<O:P> </O:P>
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。
4. 过载能力不同<O:P> 
</O:P>    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。
<IMG style="BORDER-LEFT-COLOR: #000000; FILTER: ; BORDER-BOTTOM-COLOR: #000000; BORDER-TOP-COLOR: #000000; BORDER-RIGHT-COLOR: #000000" alt="" src="http://www.gzsame.com/htdocs/upfile/200412/2004122750637000.gif" border=0>
步进电机停车抖动现象放大           伺服电机停车相对步进要平稳多
 
5.运行性能不同<O:P> </O:P>
    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。
6.速度响应性能不同<O:P> </O:P>
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。
   <IMG style="BORDER-LEFT-COLOR: #000000; FILTER: ; BORDER-BOTTOM-COLOR: #000000; BORDER-TOP-COLOR: #000000; BORDER-RIGHT-COLOR: #000000" alt="" src="http://www.gzsame.com/htdocs/upfile/200412/2004122750660000.gif" border=0> 
    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。</TD></TR></TBODY></TABLE>

雷雨 · 发表于 2006-9-18 16:23:48

谢谢采樵人的文章,又让大家长见识了.

syw开门造车 · 发表于 2006-9-18 19:48:35

楼主网友好！

步进电机之所以出现画面上所示的抖动现象，完全是厂家给步进电机配套用的
驱动板造成的。为了以不变应万变，厂家的步进电机驱动板，大都采用两种方式：
一、用外部脉冲频率向驱动板发出速度信号，频率快，转速快。
二、驱动板设几档固定转速，由外部编码选定。

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很显然，第一种方式本来是可以做到采用匀减速，达到使机械手不抖动的。
但在实际工作中，这种方式又不现实，因为，上位机不可能分出精力专门侍候
步进电机，所以只能采取第二种方式。

第二种方式只有几个固定速度，则，不能做到匀减速，尤如公交车以一给定
速度进站，到位踩死刹车，乘客不晃才怪哪！-----不光是晃，还有巨大的噪声，
想想公路上常听到的急刹车的声音就知道了。

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本来在一般的控制中，有点晃动也无所谓，可我们偏偏遇到一个高速旋转物体精确
定位的项目。我们买了很多厂家的驱动板，都没能解决问题，逼得我们不得不自己
设计步进电机驱动板。此项目用时两年，光步进电机驱动板就做了将近二十个版本。

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不是不想用交流伺服系统，而是成本比步进电机高出很多。再有交流伺服系统中驱动器
中的芯片市场上买不到。

Syw 060918—19.48

飞虎119 · 发表于 2006-9-18 20:59:56

原来如此！但毕竟大多数企业还是用成型批量产品的！

liangjian1029 · 发表于 2006-9-23 17:04:36

长见识，谢谢！

黄一钫 · 发表于 2006-9-23 17:17:31

谢谢楼主，我们受益非浅啊！

zsk2000 · 发表于 2006-9-23 20:04:23

步进电机和交流伺服电机性能比较（转）：

　　1、控制精度不同
　　步进电机驱动器的"细分"概念。两相步进电机的步进角是1.8度没错，但是，现在64细分的驱动器也很常见了。注意，这个时候，电机是200*64=12800个脉冲转一圈。而市面上常见的交流伺服，编码器不过是2048或者2500线的。当然，有17位编码器的电机，不过，步进驱动器也有256细分的。从分辨率而言，交流伺服还是要高一些，但是远没有楼主所写得那么夸张。而且，既然是说控制精度，那么，用过伺服的人都应该知道，伺服的动态重现性是分辨率的多少倍。就常规设计而言，选型时，要把重现性指标乘以5作为伺服反馈的分辨率。这样，伺服的控制精度真的比伺服好吗？

　　2、低频特性不同
　　当步进电机细分数达到32以上时，基本就没有低频振动的问题了。而伺服想保持一个准确、稳定的低速，用过的人应该知道参数有多难调（只要速度、不要位置的话，还好做一点）

　　3、频矩特性不同
　　对于转矩，需要补充一点，伺服本身是没有保持力矩的，而步进电机有保持力矩。区别在于，伺服电机的所谓静止，实际上是一个动平衡的过程，电机不会真的停在指定位置上（所以交流伺服的重现性要定到反馈分辨率的3-5倍，而步进电机重现性可以比分辨率更高）。

　　4、过载能力不同
　　这个没有什么可说的，不过对于力矩浪费的说法，还是有点意见。很多步进驱动器提供了半流功能，在不需要全力矩输出的时候，可以降低电流，减小力矩。

　　5、运行性能不同
　　丢步确实是步进电机的致命缺陷，但是，伺服就可以不考虑加减速的曲线吗？你真给一个阶跃信号试试，电机会有多大的抖动。不过抖归抖，最终还是会停在正确的位置上，这确实比步进强。如果是定位控制，这个抖动无所谓了，如果是过程控制，谁敢这么用？

　　6、速度响应性能不同
　　因为交流伺服可以有瞬间大扭矩输出，所以加速性能可能比步进强，不过松下加到3000RPM用几毫秒，先试过再来说话好不好？而且说到响应，那就不能不说交流伺服的本质缺陷——滞后。一般电机，速度环响应2毫秒，位置环响应则很少看到数据，一般认为是8毫秒。说到快速起停，伺服总是手其响应频率限制，而步进电机基本不用考虑响应时间的问题。用步进电机可以很简单的做到一秒起停100次，每次移动20微米，用伺服大家可以试试看。

　　步进与伺服，无所谓优劣，各有适用场合而已，一般来说，大负载，高速度的应用，不要用步进电机，但低负载、低速度的场合，高细分的步进性能比交流伺服要好。

hhhw1 · 发表于 2006-9-23 21:28:38

选电机要看你应用在什么场合了

syw开门造车 · 发表于 2006-9-24 05:19:08

豆芽菜网友好！

你转帖的文章中谈到的

“5、运行性能不同
　　丢步确实是步进电机的致命缺陷，……”

如同我在3楼处所讲，同样是商家为步进电机配套的驱动器所至。

每个机械运行时的惯性参数是不同的，要想让一个运动机械稳步的起动与停止，

而不丢步，就应有与之相应的起动力矩和起动速度，而商家的驱动器的这些参数，

不可能为每个机器所需要的参数相适应，所以只能以不变应万变，这就是丢步原因

的所在。

市售的驱动器还有一个至命的问题，既，为了使应用中的机械停止时不能随意

移动，常给步进电机一个小的刹车电流，编程时如处理不好，容易烧步进电机。

syw 060924---05.18

zsk2000 · 发表于 2006-9-24 10:42:28

"syw开门造车"不愧为专家，长见识了，在此谢过。

以后若有什么问题，一定向您老兄请教，并请不吝指点！

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