[转帖]步进电机和交流伺服电机性能比较 (转自工控论坛)

步进电机和交流伺服电机性能比较
　　步进电机和交流伺服电机性能比较
　　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。
　　
　　一、控制精度不同
　　
　　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。以松下全数字式交流伺服电机为例，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。
　　
　　二、低频特性不同
　　
　　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。
　　
　　三、矩频特性不同
　　
　　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。
　　
　　四、过载能力不同
　　
　　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。
　　
　　五、运行性能不同
　　
　　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。
　　
　　六、速度响应性能不同
　　
　　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。
　　
　　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。

以下是对《步进电机和交流伺服电机性能比较》的回复：
刘岩利： 　　2005-4-13 19:45:00
　　 又看到这个帖子了，就把我以前在另一个论坛的回帖重贴一遍好了。

刘岩利： 　　2005-4-13 19:51:00
　　 写这个帖子的人，是卖交流伺服电机的吧？内容基本正确，但是，不全面。楼主用于对比的几个部分，有些是可以从另外一个角度来看的。
　　1、控制精度不同
　　显然，楼主不知道步进电机驱动器有“细分”的概念。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。

刘岩利： 　　2005-4-13 19:54:00
　　 上面所说的伺服都是指交流伺服，直流伺服没有经验，不敢妄加评论。

亦云人云： 　　2005-4-13 20:18:00
　　 楼主的帖子《步进电机和交流伺服电机性能比较》用http://www.baidu.com/ 搜索后，可知在很多网站上都已发帖；不知此帖可是楼主的原创，抑或是转帖，最好注明出处。

胡一平： 　　2005-4-15 11:26:00
　　 刘岩利兄果真高手也！！佩服佩服！！这些交流伺服在实际应用中的问题如：低速性能差，滞后的问题我都遇到过，当初可真让我这个新手费了不少脑筋，总纳闷为什么我的交流伺服怎么就没那些销售人员说得那么好呢，要是早点能看到您的分析我就会少走些弯路啦，谢谢！！

阳光好东东： 　　2005-4-16 10:19:00
　　 这样进行对比从客观上给我这个新手一点提示，对他们的性能有了更深一步的了解

chenwm： 　　2005-4-19 11:43:00
　　 高手,刘岩利兄果真高手也！！佩服佩服！！

sdlyf： 　　2005-4-30 18:31:00
　　 我对PLC，人机界面有一点点认识，听到刘岩利老师和各位高论十分佩服，我很想学习工控方面的知识，不知各位可否愿意指教，交流，谢谢！邮箱：lyfhxm@21cn.com.

山溪： 　　2005-5-8 18:26:00
　　 刘老师分析得真精辟啊！

qinlihua： 　　2005-5-16 16:56:00
　　 鄙人在工控界也有N 年历史了，但一直只使用过步进电机，今天听在场的各位老师一番见解，真的很钦佩，只想各位老师今后能让在下也加入论坛的学习中，希望刘老师及各位前辈多赐教，谢谢

猫女： 　　2005-5-17 16:28:00
　　 请问斑竹，什么是伺服的动态重现性？

zhyo720211： 　　2005-5-17 16:42:00
　　 谢谢!

爱儿： 　　2005-5-17 23:07:00
　　 我是初学者，是第二次进这里，第一次想发言，但不知道怎么发，一不留神发了一个空信息，找了好久都不知道怎么改信息，没办法只好把信息留在上面，结果扣了一分，好惨啊！
　　不过现在知道了，以后不会出现类型问题了。
　　在这个论坛中学到了很多东西，谢谢！请大家以后多多指教。

想学习： 　　2005-5-18 13:18:00
　　 我对PLC等有一点点认识，听到刘岩利老师和各位高论十分佩服，也同样很想学习工控方面的知识，不知各位可否愿意指教，交流，谢谢！邮箱：fawscl@sohu.com。佩服各位老师的学识！！！

随风大侠1： 　　2005-5-18 20:30:00
　　 什么是伺服的动态重现性?我也想知道,不知道哪位大侠能够指点一下?
　　
　　通过上面的经典讨论使我进步不小,,谢谢伺服论坛!

totti： 　　2005-5-20 12:55:00
　　 我是做进口步进电机产品业务的，在接触到的客户里面有很多人对步进电机和伺服电机的认识比较片面，似乎伺服电机就是步进电机的替代品、是一个更新换代的潮流。看到刘老师的留言十分佩服，真希望有更多的工程师能看到能理解，而非盲目的跟风。

刘岩利： 　　2005-5-20 18:10:00
　　 动态重现性，我是指伺服运动过程中位置-时间曲线的重现性，只要没有太大的问题，伺服定位是没有问题，但是过程滞后多少，就很难说了。

飘落的烟灰： 　　2005-5-20 21:27:00
　　 强！谢谢刘老师了，

-274度冷酷： 　　2005-5-27 0:28:00
　　 看了刘老师和大天使对步进电机和伺服电机的见解，真是叫决，最近我也一直在寻思着两者使用场合的性能差异，获益非浅！回贴一幅，在此谢谢！

杨世祥： 　　2005-5-28 0:20:00
　　 刘岩利——高手也，并且是第一线的高手，十分佩服
　　请问刘老师是何方大师，本人有技术问题向你请教磋商。

szllc： 　　2005-5-28 13:57:00
　　 刘兄论证精辟啊！有理有据！
　　楼主的这样的贴子也不只看过多少遍了，几乎各个工控论坛都有，一直都认为是经典，从来也没有怀疑过；虽然实际中碰到过一些问题，有时也感觉交流伺服似乎不如步进，但是从没怀疑过交流伺服系统的优越性。因为楼主的贴子也是十分经典-----虽然里面有些疑问。
　　比如：松下加到3000RPM用几毫秒。我在实际中，几乎给了最大的参数，也没有到过3000RPM。当然，即使到了2000RPM几乎也用了10多ms.还以为自己的电机有问题呢。
　　
　　还请问刘兄一点：
　　交流伺服电机在位置控制模式下，滞后现象比较严重；但是步进马达也是接受脉冲，它的滞后就不用考虑了吗？为什么？
　　
　　做学问的真的是讲究求实。
　　真做过并且应用到实际中才有发言权。
　　主席的话永远是对的：没有调查就没有发言权。

原之星： 　　2005-5-30 4:25:00
　　 请问用于切割进料的电机最好选哪种.进料速度要很慢.6MM每秒以下.

方然： 　　2005-5-30 12:35:00
　　 我刚刚接触伺服电机和步进电机，细读斑竹的详解和刘老师的评语，真是受益匪浅，这里谢过了

刘岩利： 　　2005-5-31 18:01:00
　　 为什么步进马达的滞后不用考虑？因为步进马达是一个开环控制，刚性100%的东西，不是根据反馈进行调整。

ljf7086： 　　2005-5-31 22:08:00
　　 我也是刚学工控的，还请各位老师指导．
　　我现想找一种电机，需要１秒内能顺转５圈，反转５圈．
　　１．５秒一个循环，往复运动．这样行吗？
　　请各位帮帮我吧！
　　ＱＱ：４０５１５５３９５

jghdg： 　　2005-6-1 18:29:00
　　 看完了，学到不少别的地方学不到的东西，且刘老师真的很热情，谢谢刘老师！！！

easycold： 　　2005-6-2 10:16:00
　　 好，真是受益匪浅。

杨世祥： 　　2005-6-4 0:56:00
　　 1。我用我的傻瓜控制器，将松下的电机很容易的就加到了5500转/分，启动时间确实很快，
　　2。ljf7086先生：你的问题非常简单，用我们的控制器加步进电机或伺服电机都可以，即装即用

szllc： 　　2005-6-4 11:33:00
　　 to 杨世祥：
　　 您好。
　　 你的控制器是这样好？是带负载运行吗?您的马达多大？驱动器多大？松下马达额定转速不是3000r/p吗？您的启动时间多少？真的是几ms?控制精度呢？稳定性如何？

凡夫俗子： 　　2005-6-4 11:52:00
　　 伺服和步进各有优缺点，都有彼此无法替代的特点：
　　1、在控制精度上，我个人的想法一般情况下还是伺服优于步进，步进是有细分，但细分高于40以上还有实际意义吗？256细分的步角已经出现大小步的现象了，如何谈精度？个人认为40以上的细分已经不能作为定位了，只能为了加强运行的平滑性，而伺服电机可以通过外部的编码器分辨率的加大来提高精度。
　　2、伺服在微动或定位保持上确实是一种动态的平衡，它是系统通过检测的位置信号进行的负反馈PID调节，它低于一个编码器分辨率时的微动不响应，定位保持时也是动态的响应外部负载而随时改变力矩以达到动态的静平衡，保持精度比步进差。
　　3、由于步进电机驱动通常带有细分，而停止时通常会停止在细分点也就是不是磁极点上，那么停电后再次上电时驱动器不会按照停止时的各相电流进行分配，那么出现了步进电机重新上电时通常会出现强烈的小振一下，也就是转子迅速与初始定子磁场对应，而伺服没有该现象。
　　4、关于响应时间，步进在其启动频率和加速允许的条件下确实可以做到比伺服快的多频繁正反向启动停止，但其有严格的启动频率和加速要求，如果是高频启动，例如：单次的0到1000转/分（普通步进只能几百转/分，举例按能达到高速的3相混合步进算），伺服从接到脉冲到整定结束的时间会比步进的加速时间快。
　　5、关于最高速和步进有丢步问题上：伺服优势明显。
　　6、伺服由于有PID调节，会有整定时间的问题，该时间会随速度的高低和负载的变化而变化，该整定时间可控性差。整定时间与加减速时间不同，整定时间由系统PID增益、积分时间常数、设定速度值等等因素影响。步进却没有整定时间的概念，加减速时间简单可控制。
　　7、转矩的控制上，步进的电机的转矩会随着速度的变化而明显改变，在高速区域会随着速度的变化产生强烈的下降；伺服在额定转速内最大转矩为恒力矩输出，而且伺服可以进行力矩控制，这是步进无法做倒的。
　　8、价格上，步进优势很明显。

乐安： 　　2005-6-4 12:08:00
　　 我厂改造的自动磨床使用的步进电机是用PLC控制，我正想了解这方面的知识。谢谢！

刘岩利： 　　2005-6-4 22:01:00
　　 上面列出的8条，应该算是比较客观的了。
　　对于第一条，如果用好一点的驱动器，250细分还行（单向前进），不过这种驱动器的价格……
　　第三条，斯达特三相驱动器的介绍上说解决了这个问题，不过，我没有实际用过。

范学明： 　　2005-6-5 9:32:00
　　 我们有一种快速应用大功机率交流伺服电机，从静止状态对额定转速，其加速时间只有50毫秒，电机功率15kw，转速1500或2000转/分均可，不知那个品牌的交活流伺服系统能满足要知。请高手指点。

YS： 　　2005-6-5 17:27:00
　　 请教以上高手使用何种PLC能控制交流司服电机？

dzy1211： 　　2005-6-6 16:51:00
　　 请教　
　　　能否用一台三菱PLC控制十二台步进电机
　　　要有正反转　和500转/s

凡夫俗子： 　　2005-6-7 11:45:00
　　 TO：YS，您好
　　首先我不是高手哦，请问您的要求？何种控制方式？如果是定位，速度要求多少？因为很多的PLC在不外加模块时的脉冲频率输出不是很高，十K到几十K。

凡夫俗子： 　　2005-6-7 11:53:00
　　 TO：dzy1211，您好！
　　 500转/S？每秒500？是500/分？如果是每分钟500转可以考虑，每秒伺服也够戗啊，，，，
　　 1、用三菱您需要外加模块恐怕好象也不行，一个2PG能带两轴，好象最多只能加4个模块，而且价格太贵，大材小用。。。
　　 2、改用松下的PLC吧，他们好象有模块一个能带4个轴，3个模块就搞定了，自身还有2个脉冲输出口，价格会省些。。。
　　 3、12轴有无特殊要求，同动？几轴插补？建议也可以用PC加控制卡试试，有国产的专用步进的控制卡

dg1： 　　2005-6-13 23:18:00
　　 各位
　　我也是搞伺服电机的.步进电机被淘汰是早晚的事.

张路： 　　2005-6-14 10:07:00
　　 我觉得工控是很有搞头的，只是基础太差，考个工程硕士不知道有没有用？？对PLC和伺服控制等非常感兴趣
　　

jackylee： 　　2005-6-18 13:22:00
　　 各位大大:
　　 看過此篇.對於我這個新手而言.的確受用匪淺.
　　 另請教一個問題.三菱MR-J2-C中ZP.DOG.CPO 信號如何使用?
　　 謝謝.
　　

szbobo： 　　2005-6-18 15:34:00
　　 真是受益匪浅，谢谢大家！

楼主幸苦了~~看贴回帖也是美德。