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關于步進電機和伺服電機的選型及對比
關于步進電機和伺服電機的選型及對比
導讀：本文主要解決兩個問題：
1、步進驅動和伺服驅動的主要區別。
2、具體選型過程中的幾個實用問題。
概述：
步進電機主要是依相數來做分類，而其中又以二相、五相步進電機為目前市場上所廣泛采用。二相步進電機每轉最細可分割為400等分，五相則可分割為1000等分，所以表現出來的特性以五相步進電機較佳、加減速時間較短、動態慣性較低。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。
一、控制精度不同
兩相混合式步進電機步距角一般為3.6度、1.8度，五相混合式步進電機步距角一般為0.72度、0.36度。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度；德國百格拉公司（bergerlahr）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。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度/10000=0.036度。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度/131072=9.89秒。是步距角為1.8度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。
三：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。
五：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，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。
六：速度影響性能不同
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msma400w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。
1、如何正確選擇伺服電機和步進電機？
主要視具體應用情況而定，簡單地說要確定：負載的性質（如水平還是垂直負載等），轉矩、慣量、轉速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，或電池供電，電壓范圍。據此以確定電機和配用驅動器或控制器的型號。
2、如何配用步進電機驅動器？
根據電機的電流，配用大于或等于此電流的驅動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細分型驅動器。對于大轉矩電機，盡可能用高電壓型驅動器，以獲得良好的高速性能。
3、2相和5相步進電機有何區別，如何選擇？
2相電機成本低，但在低速時的震動較大，高速時的力矩下降快。5相電機則振動較小，高速性能好，比2相電機的速度高30~50%，可在部分場合取代伺服電機。
4、何時選用直流伺服系統，它和交流伺服有何區別？
直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制復雜，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。
5、使用電機時要注意的問題，上電運行前要作如下檢查：
1）電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅動模塊的損壞）；對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯，驅動控制器上的電機型號或電流設定值是否合適（開始時不要太大）；
2）控制信號線接牢靠，工業現場最好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；
3）不要開始時就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統，運行良好后，再逐步連接。
4）一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。
5）開始運行的半小時內要密切觀察電機的狀態，如運動是否正常，聲音和溫升情況，發現問題立即停機調整。
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