伺服电机和步进电机的区别是什么?

伺服电机和步进电机的区别


步进电机结构图  伺服电机结构图

       在工业运动控制系统中,步进电机和伺服电机运用极为广泛,但同为运动控制系统中运用最为广泛的电机,价格方面却有极大差异,那么步进电机和伺服电机之间到底有哪些差异呢,文章做详细解析.


一、常规步进电机与伺服电机的区别


       这里所说的常规步进电机即最为常见的开环步进电机,开环步进电机与伺服电机的区别主要包含以下几点:
1、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°。但结合高细分步进电机驱动器可以让步进电机步距角更小、精度更高。如配合谱思生产的总线高细分驱动器,包含0/2/4/8/16/32/64//128/256 九种档位细分,可实现步进电机步距角为1.8°、0.9°、0.45°、0.255°、0.1125°、0.5625°、0.28125°、0.0140625°、0.00703125°,兼容两相、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。
2、低频特性不同
       步进电机一般存在共振区间,共振区间范围与负载及机构相关,在共振区间的频率范围内,电机运行时会有比较大的抖动,对设备运行不利。采用细分驱动器及加阻尼器可以有效解决步进电机共振问题。
交流伺服电机运转比较平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。某些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
       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。
      但如果相同尺寸的步进及伺服电机,在低速下步进电机的输出扭矩会比伺服电机高很多,如下图所示为相同尺寸的步进及伺服电机频矩曲线图,从图中可以看出在300RPM以内的转速下,步进电机输出扭矩几乎是伺服电机的3倍。

同尺寸步进与伺服电机频矩特性比较

4、过载能力不同
      开环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。交流伺服电机具有速度过载和转矩过载能力,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
5、运行性能不同
      步进电机如果为开环控制,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。
6、速度响应性能不同
      普通开环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,交流伺服电机从静止加速到其额定转速3000RPM可做到几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
7、成本不同

     普通伺服电机成本一般为普通步进电机成本的2到3倍  


二、新方案:步进伺服电机


      近几年,步进电机的种种不利由于“步进伺服”技术的发展而得到有效弥补,“步进伺服”通常被称为“闭环步进控制”,其核心是高适应性电流调节和控制信号的反馈,与伺服电机的控制方式相同,通过编码器信号检测转子位置,在电机绕组中产生对应的正弦波电流。磁场的矢量控制确保了定子的磁场方向总是垂直于转子磁场,而磁场强度则精确地对应于所要求的转矩。

      相比一个同尺寸的伺服电机,当转速维持在其额定转速的20%-50%时,步进伺服电机所获得的持续扭矩理论上是伺服电机的2到3倍,并且由于步进电机的价格低廉,步进伺服系统是替代伺服电机理想的经济型方案。   

步进伺服套装与伺服套装对比

步进伺服套装与伺服套装对比

      如下图所示,为一体化步进伺服电机方案图,不仅实现了步进电机驱动器、控制器一体的紧凑型安装设计,更实现了编码器内置的全闭环控制,包含位置环、速度环与电流环:

步进伺服电机结构方案图

      内置高分辨率编码器,将速度及位置信号反馈给驱动控制器,控制器结合CAN总线控制命令及电机绕组反馈的电流信号,控制电机转动实现电机内部闭环控制,同时控制器可接收负载端各种传感器传来的反馈信号,从而实现全闭环控制.
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