步進電機和交流伺服電機性能比較

LAOKAI · 發表于 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>步進電機和交流伺服電機性能比較</TD></TR>
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class=MsoNormal style="MARGIN-LEFT: 8px; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 8px">    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。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
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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

> </O

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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（BERGER LAHR）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°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，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。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。<O

> </O:P>
<O:P>2.低頻特性不同</O:P>
    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。
3.矩頻特性不同<O:P> </O:P>
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。
4. 過載能力不同<O:P> 
</O:P>    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。
<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>
步進電機停車抖動現象放大           伺服電機停車相對步進要平穩多
 
5.運行性能不同<O:P> </O:P>
    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，所以為保證其控制精度，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。
6.速度響應性能不同<O:P> </O:P>
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MSMA 400W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。
   <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> 
    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。</TD></TR></TBODY></TABLE>

雷雨 · 發表于 2006-9-18 16:23:48

謝謝采樵人的文章,又讓大家長見識了.

syw開門造車 · 發表于 2006-9-18 19:48:35

樓主網友好！

步進電機之所以出現畫面上所示的抖動現象，完全是廠家給步進電機配套用的
驅動板造成的。為了以不變應萬變，廠家的步進電機驅動板，大都采用兩種方式：
一、用外部脈沖頻率向驅動板發出速度信號，頻率快，轉速快。
二、驅動板設幾檔固定轉速，由外部編碼選定。

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很顯然，第一種方式本來是可以做到采用勻減速，達到使機械手不抖動的。
但在實際工作中，這種方式又不現實，因為，上位機不可能分出精力專門侍候
步進電機，所以只能采取第二種方式。

第二種方式只有幾個固定速度，則，不能做到勻減速，尤如公交車以一給定
速度進站，到位踩死剎車，乘客不晃才怪哪！-----不光是晃，還有巨大的噪聲，
想想公路上常聽到的急剎車的聲音就知道了。

//********************************************

本來在一般的控制中，有點晃動也無所謂，可我們偏偏遇到一個高速旋轉物體精確
定位的項目。我們買了很多廠家的驅動板，都沒能解決問題，逼得我們不得不自己
設計步進電機驅動板。此項目用時兩年，光步進電機驅動板就做了將近二十個版本。

//********************************************

不是不想用交流伺服系統，而是成本比步進電機高出很多。再有交流伺服系統中驅動器
中的芯片市場上買不到。

Syw 060918—19.48

飛虎119 · 發表于 2006-9-18 20:59:56

原來如此！但畢竟大多數企業還是用成型批量產品的！

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

長見識，謝謝！

黃一鈁 · 發表于 2006-9-23 17:17:31

謝謝樓主，我們受益非淺啊！

zsk2000 · 發表于 2006-9-23 20:04:23

步進電機和交流伺服電機性能比較（轉）：

　　1、控制精度不同
　　步進電機驅動器的"細分"概念。兩相步進電機的步進角是1.8度沒錯，但是，現在64細分的驅動器也很常見了。注意，這個時候，電機是200*64=12800個脈沖轉一圈。而市面上常見的交流伺服，編碼器不過是2048或者2500線的。當然，有17位編碼器的電機，不過，步進驅動器也有256細分的。從分辨率而言，交流伺服還是要高一些，但是遠沒有樓主所寫得那么夸張。而且，既然是說控制精度，那么，用過伺服的人都應該知道，伺服的動態重現性是分辨率的多少倍。就常規設計而言，選型時，要把重現性指標乘以5作為伺服反饋的分辨率。這樣，伺服的控制精度真的比伺服好嗎？

　　2、低頻特性不同
　　當步進電機細分數達到32以上時，基本就沒有低頻振動的問題了。而伺服想保持一個準確、穩定的低速，用過的人應該知道參數有多難調（只要速度、不要位置的話，還好做一點）

　　3、頻矩特性不同
　　對于轉矩，需要補充一點，伺服本身是沒有保持力矩的，而步進電機有保持力矩。區別在于，伺服電機的所謂靜止，實際上是一個動平衡的過程，電機不會真的停在指定位置上（所以交流伺服的重現性要定到反饋分辨率的3-5倍，而步進電機重現性可以比分辨率更高）。

　　4、過載能力不同
　　這個沒有什么可說的，不過對于力矩浪費的說法，還是有點意見。很多步進驅動器提供了半流功能，在不需要全力矩輸出的時候，可以降低電流，減小力矩。

　　5、運行性能不同
　　丟步確實是步進電機的致命缺陷，但是，伺服就可以不考慮加減速的曲線嗎？你真給一個階躍信號試試，電機會有多大的抖動。不過抖歸抖，最終還是會停在正確的位置上，這確實比步進強。如果是定位控制，這個抖動無所謂了，如果是過程控制，誰敢這么用？

　　6、速度響應性能不同
　　因為交流伺服可以有瞬間大扭矩輸出，所以加速性能可能比步進強，不過松下加到3000RPM用幾毫秒，先試過再來說話好不好？而且說到響應，那就不能不說交流伺服的本質缺陷——滯后。一般電機，速度環響應2毫秒，位置環響應則很少看到數據，一般認為是8毫秒。說到快速起停，伺服總是手其響應頻率限制，而步進電機基本不用考慮響應時間的問題。用步進電機可以很簡單的做到一秒起停100次，每次移動20微米，用伺服大家可以試試看。

　　步進與伺服，無所謂優劣，各有適用場合而已，一般來說，大負載，高速度的應用，不要用步進電機，但低負載、低速度的場合，高細分的步進性能比交流伺服要好。

hhhw1 · 發表于 2006-9-23 21:28:38

選電機要看你應用在什么場合了

syw開門造車 · 發表于 2006-9-24 05:19:08

豆芽菜網友好！

你轉帖的文章中談到的

“5、運行性能不同
　　丟步確實是步進電機的致命缺陷，……”

如同我在3樓處所講，同樣是商家為步進電機配套的驅動器所至。

每個機械運行時的慣性參數是不同的，要想讓一個運動機械穩步的起動與停止，

而不丟步，就應有與之相應的起動力矩和起動速度，而商家的驅動器的這些參數，

不可能為每個機器所需要的參數相適應，所以只能以不變應萬變，這就是丟步原因

的所在。

市售的驅動器還有一個至命的問題，既，為了使應用中的機械停止時不能隨意

移動，常給步進電機一個小的剎車電流，編程時如處理不好，容易燒步進電機。

syw 060924---05.18

zsk2000 · 發表于 2006-9-24 10:42:28

"syw開門造車"不愧為專家，長見識了，在此謝過。

以后若有什么問題，一定向您老兄請教，并請不吝指點！

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