在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)作為兩種常見(jiàn)的執(zhí)行電機(jī)，雖控制方式相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)景上存在顯著差異。本文將深入解析二者的區(qū)別，并提供實(shí)用的選型指南。
一、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)與伺服驅(qū)動(dòng)的六大區(qū)別
1、 控制精度不同
步進(jìn)電機(jī)的控制精度取決于其步距角。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8°（每轉(zhuǎn)200步），五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角通常為0.72°（每轉(zhuǎn)500步）。
一些高性能步進(jìn)電機(jī)提供更小的步距角，如0.09°，甚至可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為多種步距角。而交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，具有更高的精度和穩(wěn)定性。
2、 低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，這是其工作原理決定的固有特性。這種振動(dòng)對(duì)機(jī)器正常運(yùn)行不利，常需要采用阻尼技術(shù)或驅(qū)動(dòng)器細(xì)分技術(shù)來(lái)克服。
相比之下，交流伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。伺服系統(tǒng)還具有共振抑制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械剛性不足，并通過(guò)頻率解析功能檢測(cè)系統(tǒng)的共振點(diǎn)，便于調(diào)整。
3、 矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，因此其最高工作轉(zhuǎn)速通常在300-600rpm范圍內(nèi)。
交流伺服電機(jī)則為恒力矩輸出，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(guò)載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力，而交流伺服電機(jī)則具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。
步進(jìn)電機(jī)因缺乏過(guò)載能力，在選型時(shí)往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)以克服慣性力矩，導(dǎo)致機(jī)器在正常工作期間出現(xiàn)力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
5、運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，因此需要妥善處理升、降速問(wèn)題以保證控制精度。
交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步或過(guò)沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
6、加速性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（通常為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200-400毫秒。而交流伺服系統(tǒng)的加速性能要好得多，以松下400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000rpm僅需幾毫秒，適用于需要快速啟停的控制場(chǎng)合。
二、實(shí)際應(yīng)用如何選型？
1、如何選擇伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)？
選型主要依據(jù)具體應(yīng)用需求而定，需考慮以下因素：
· 負(fù)載性質(zhì)（水平還是垂直負(fù)載等）
· 轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速要求
· 上位控制要求（端口界面和通訊方面）
· 主要控制方式（位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式）
· 供電電源（直流或交流，電壓范圍）
根據(jù)上述因素綜合判斷，確定適合的電機(jī)和配用驅(qū)動(dòng)器或控制器的型號(hào)。
2、如何配用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器？
· 根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動(dòng)器
· 需要低振動(dòng)或高精度時(shí)，可配用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器
· 對(duì)于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，盡可能采用高電壓型驅(qū)動(dòng)器，以獲得更好的高速性能
3、 2相和5相步進(jìn)電機(jī)如何選擇？
· 2相電機(jī)成本低，但在低速時(shí)振動(dòng)較大，高速時(shí)力矩下降快
· 5相電機(jī)振動(dòng)較小，高速性能好，比2相電機(jī)的速度高30-50%，可在部分場(chǎng)合取代伺服電機(jī)
4、直流伺服與交流伺服的區(qū)別如何選擇？
直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷兩種：
有刷電機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制容易，但需要維護(hù)（更換碳刷），會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。適用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。
無(wú)刷電機(jī)體積小、重量輕、出力大、響應(yīng)快、速度高、慣量小、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑、力矩穩(wěn)定。電機(jī)免維護(hù)、效率高、運(yùn)行溫度低、電磁輻射小、壽命長(zhǎng)，可用于各種環(huán)境。
交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制中多采用同步電機(jī)，其功率范圍大，可做到很大功率，但大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低，適合低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。
三、使用電機(jī)注意事項(xiàng)
上電運(yùn)行前請(qǐng)務(wù)必檢查：
1、電源電壓是否合適（過(guò)壓很可能損壞驅(qū)動(dòng)模塊）；直流輸入的+/-極性絕不能接錯(cuò)；驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適（開(kāi)始時(shí)不宜過(guò)大）
2、控制信號(hào)線連接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好考慮屏蔽問(wèn)題（如采用雙絞線）
3、初始不要連接所有線，只構(gòu)成最基本的系統(tǒng)，運(yùn)行良好后再逐步連接
4、明確接地方法，或采用浮空不接
5、 開(kāi)始運(yùn)行半小時(shí)內(nèi)密切觀察電機(jī)狀態(tài)，包括運(yùn)動(dòng)是否正常、聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即停機(jī)調(diào)整
總結(jié)
步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)各有優(yōu)勢(shì)，適用于不同場(chǎng)景。步進(jìn)系統(tǒng)成本低、控制簡(jiǎn)單，適用于精度和速度要求不高的場(chǎng)合；伺服系統(tǒng)性能優(yōu)越、可靠性高，適用于高精度、高速度、高過(guò)載能力的應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)實(shí)際需求和經(jīng)濟(jì)考量做出合理選擇，才能最大化系統(tǒng)價(jià)值。