伺服電機與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件

步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，（即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。）步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。分類:感應子式步進電機以相數(shù)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）分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。步進電機步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰扑欧姍C與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件三相反應式步進電機原理結(jié)構：電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：三相反應式步進電機原理1.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(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。2.如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。3.如C相通電，A，B相不通電時，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。4.如A相通電，B，C相不通電時，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て

這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。1.如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對

可以看出，電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

可以看出，電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。步距角精度（動態(tài)）：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。失步（動態(tài)）：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。步進電機的選擇有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。伺服電機與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件步進電機的一些指標術語相數(shù)（靜態(tài)）：產(chǎn)生不同對極性為N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)（靜態(tài)）：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)。用n表示。以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角（靜態(tài)）：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)）。以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）。八拍運行時步距角θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。靜轉(zhuǎn)矩（靜態(tài)）：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。步進電機的一些指標術語力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

力矩與功率換算伺服電機

伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。（人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名。）伺服電機：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機的優(yōu)點：大扭力、控制簡單、裝配靈活。伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

伺服電機伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。伺服電機的結(jié)構：一個伺服電機內(nèi)部包括了一個直流電機；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的電機提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成伺服電機與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件伺服電機的工作原理：

伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。

步進電機和伺服電機性能比較

1.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(chǎn)的用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°。

伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。對于帶標準2500線編碼器的電機而言，當驅(qū)動器內(nèi)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(qū)動器每接收2^17=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。伺服電機的工作原理：

伺服電機是一個典型閉環(huán)反2.低頻特性不同:步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關，這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術等。伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

3.矩頻特性不同

:步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

4.過載能力不同:步進電機一般不具有過載能力。伺服電機具有較強的過載能力。步進電機沒有過載能力，在選型時為了克服慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作時又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。2.低頻特性不同:步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振5.運行性能不同

:步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

6.速度響應性能不同

:步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。伺服系統(tǒng)在許多方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常使用步進電機。在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?shù)碾姍C。

5.運行性能不同:步進電機的控制為開環(huán)控制，步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，（即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。）步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。分類:感應子式步進電機以相數(shù)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）分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。步進電機步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰扑欧姍C與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件三相反應式步進電機原理結(jié)構：電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：三相反應式步進電機原理1.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(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。2.如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。3.如C相通電，A，B相不通電時，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。4.如A相通電，B，C相不通電時，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て

這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。1.如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對

可以看出，電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

可以看出，電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。步距角精度（動態(tài)）：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。失步（動態(tài)）：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。步進電機的選擇有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。伺服電機與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件步進電機的一些指標術語相數(shù)（靜態(tài)）：產(chǎn)生不同對極性為N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)（靜態(tài)）：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)。用n表示。以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角（靜態(tài)）：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)）。以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）。八拍運行時步距角θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。靜轉(zhuǎn)矩（靜態(tài)）：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。步進電機的一些指標術語力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

力矩與功率換算伺服電機

伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。（人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名。）伺服電機：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機的優(yōu)點：大扭力、控制簡單、裝配靈活。伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

伺服電機伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。伺服電機的結(jié)構：一個伺服電機內(nèi)部包括了一個直流電機；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的電機提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成伺服電機與步進電機的優(yōu)勢性能比較分析課件伺服電機的工作原理：

伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。

步進電機和伺服電機性能比較

1.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(chǎn)的用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°。

伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。對于帶標準2500線編碼器的電機而言，當驅(qū)動器內(nèi)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(qū)動器每接收2^17=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。伺服電機的工作原理：

伺服電機是一個典型閉環(huán)反2.低頻特性不同:步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)