伺服電機與步進電機的選擇

最好的電機是滿足應用要求的電機。然而，當伺服電機和步進電機都滿足定位應用的基本要求時，對這兩種技術(shù)有更深入的了解以做出明智的決定就很重要了。

在這篇博文中，我們將總結(jié)伺服電機系統(tǒng)和步進電機系統(tǒng)之間的區(qū)別。

讓我們從快速比較這兩種電機技術(shù)開始。

雖然伺服電機和步進電機都在轉(zhuǎn)子中使用永磁體，并且需要驅(qū)動電路才能運行，但它們的設計存在根本差異，從而導致性能差異。

電機設計

可以命令步進電機移動到某個位置，停止，然后保持，而伺服電機需要通過編碼器反饋“尋找”目標位置。您會注意到的第一個主要區(qū)別是伺服電機對編碼器的要求增加了電機長度。

第二個主要區(qū)別是極數(shù)。這里討論的磁極是“磁極”，可以定義為轉(zhuǎn)子上的北極或南磁極。這些磁極提供特定的穩(wěn)定點，來自定子的磁通量將與轉(zhuǎn)子相互作用。

要了解步進電機和伺服電機之間的極數(shù)差異，我們需要更深入地了解每種電機設計。下圖左圖為步進電機的構(gòu)造，下圖右圖為轉(zhuǎn)子和定子的剖面圖。

步進電機

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步進電機設計使用夾在兩個帶齒轉(zhuǎn)子杯之間的軸向磁化稀土永磁體。通過對永磁體進行軸向磁化，使兩個轉(zhuǎn)子杯的齒成為極性相反的磁極。一個轉(zhuǎn)子杯可以有 50 或 100 個齒，兩個轉(zhuǎn)子杯以半個齒距傾斜。兩個轉(zhuǎn)子的齒在右上圖中以藍色和紅色顯示(如果您從軸側(cè)看)。對于步進電機，兩個轉(zhuǎn)子杯上的每個齒都成為一個極點。

伺服電機

伺服電機(如上所示)使用徑向磁化轉(zhuǎn)子而不是齒(如下所示)，這是伺服電機極數(shù)明顯減少的主要原因。極數(shù)少還需要使用編碼器反饋來最大程度地減少誤差。

伺服電機設計通常使用 2~8 極轉(zhuǎn)子和 3 相定子(U、V、W)。它的轉(zhuǎn)子采用分段永磁體徑向磁化，而不是像步進電機那樣軸向磁化。

右側(cè)顯示了 4 極轉(zhuǎn)子和 6 極定子設計的示例。

如您所見，由于缺少齒，伺服電機提供的極數(shù)明顯少于步進電機。

由于絕對編碼器的要求，伺服電機需要更多的空間。較少的極數(shù)使其能夠在更高的速度下產(chǎn)生更高的扭矩。步進電機可以在沒有編碼器的情況下開環(huán)運行，因此更加緊湊。

停止精度

對于定位應用，我們必須滿足的主要要求之一是電機的停止精度。步進電機和伺服電機都可以準確停止。

步進電機的停止精度取決于繞組(電氣)和齒結(jié)構(gòu)(機械)的制造質(zhì)量，而伺服電機的精度取決于裝配精度、編碼器分辨率和算法。

請記住，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙非常薄，唯一的摩擦來自其滾珠軸承。摩擦力矩或重力負載會導致實際停止位置發(fā)生偏差，因此在您從一個位置移動到另一個位置時會有一點點誤差。 當我們繪制電機旋轉(zhuǎn) 1 整圈時發(fā)生的誤差時，它們?nèi)缦聢D所示。

伺服電機步進電機

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請注意，它們都提供大約 +/-0.02° 的停止精度，低于步進電機典型的 3 弧分或 +/-0.05° 重復停止精度規(guī)格。雖然步進電機在 7.2° 增量時提供更好的可重復性或在 360° 增量時提供近乎完美的可重復性，但伺服電機的停止精度取決于其編碼器分辨率。

步進電機的停止精度在很大程度上取決于其繞組特性、轉(zhuǎn)子構(gòu)造精度以及轉(zhuǎn)子中的齒數(shù)/極數(shù)。伺服電機的停止精度取決于裝配精度、編碼器分辨率和操作算法。 在某種程度上，您可以說步進電機是為定位應用而“機械設計”的，而伺服電機是為定位應用而“電氣設計”的。

高速性能

眾所周知，伺服電機比步進電機運行速度更高。這真正意味著伺服電機將在指定的 RPM 下輸出比步進電機更大的扭矩。扭矩性能的這種差異來自極數(shù)的差異以及伺服電機和步進電機設計之間的繞組電感。

極數(shù)也會影響電機繞組需要前進的次數(shù)才能使電機旋轉(zhuǎn)一圈。對于伺服電機，可能只需要 12 個“步”就可以轉(zhuǎn)動一整圈。但是，對于 2 相步進電機，它需要 200 個“步” 。在低速時，這不會產(chǎn)生顯著差異。但是，在高速行駛時，驅(qū)動器將無法為繞組完全通電。由于電流與扭矩成正比，因此扭矩會在高速時降低。

步進電機和伺服電機之間的性能差異可以通過它們的速度-扭矩曲線得到最好的體現(xiàn)。這是一個比較相同框架尺寸的步進電機和伺服電機的示例。

NEMA 23 步進電機200 瓦(1/4 馬力)60 毫米伺服電機

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步進電機的高極數(shù)使其能夠產(chǎn)生高啟動并在低速下平穩(wěn)運行。它們可以快速響應，無需編碼器即可準確定位，并輕松產(chǎn)生保持力矩。然而，由于高繞組電感、極數(shù)和 L/R 常數(shù)，在高速區(qū)域轉(zhuǎn)矩會降低。 伺服電機的低極數(shù)和低繞組電感不會產(chǎn)生高啟動扭矩，但可以使它們在整個速度范圍內(nèi)更好地保持扭矩。

閉環(huán)反饋

根據(jù)定義，伺服電機必須采用閉環(huán)控制運行，而步進電機通常采用開環(huán)控制運行。伺服電機使用反饋來控制電機的位置、速度或扭矩。步進電機被命令移動到特定位置而不需要反饋，但可能會因過載而失去同步。

添加反饋以保持同步確實使驅(qū)動器設計復雜化并增加了組件數(shù)量。除了來自典型步進電機系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器、相序器和 FET 之外，伺服電機系統(tǒng)還包含轉(zhuǎn)子位置計數(shù)器、F/V 轉(zhuǎn)換器、電流放大器、速度放大器、位置放大器和偏差計數(shù)器。所有這些組件都需要在 PID 回路中運行電機，在 PID 回路中，驅(qū)動器不斷計算誤差并調(diào)整比例/積分/微分增益以進行實時校正。這就是伺服電機更昂貴且需要處理時間的原因。

伺服電機系統(tǒng)步進電機系統(tǒng)

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隨著閉環(huán)反饋，電機的負載與轉(zhuǎn)子慣性比也會增加。步進電機可以處理大約 10 倍的轉(zhuǎn)子慣量，而伺服電機可以處理 100 倍的轉(zhuǎn)子慣量。作為比較，閉環(huán)步進電機可以處理其轉(zhuǎn)子慣量的 30 倍。

步進電機無需反饋即可運行，因此運行所需的組件更少。這就是為什么它們更具成本效益。伺服電機需要反饋并在 PID 回路中運行，因此需要更多組件。

效率

步進電機使用電流斬波驅(qū)動器技術(shù)，無論負載如何，它都能提供恒定的電流供應。電流與溫度成正比，因此步進電機的占空比需要限制在 50% 左右。 伺服電機提供更有效的電流控制，因為它只吸收所需的電流。步進電機更擅長的一件事是它能夠在零速時產(chǎn)生保持扭矩。伺服電機使用更多功率來產(chǎn)生保持扭矩。

閉環(huán)反饋還允許更有效的電流控制，這會影響電機溫度和使用壽命。在下圖中，我們繪制了溫升與電機工作占空比 [%] 的關(guān)系圖。請注意溫度如何隨著工作負載而升高。這就是步進電機需要限制占空比的原因。電機的使用壽命取決于其軸承潤滑脂壽命，而軸承潤滑脂壽命取決于溫度。

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高效的電流控制還可以帶來其他性能優(yōu)勢，例如更低的噪音和振動。另外，正確選擇電機尺寸。當步進電機尺寸不合適時，它往往會振動得更多。如果伺服電機的尺寸或調(diào)整不當，它往往會“狩獵”更多。

僅汲取所需電流的能力是伺服電機系統(tǒng)的一大優(yōu)勢，它還有助于延長使用壽命、降低某些應用的噪音或降低功耗。 步進電機要提供相同類型的高效電流控制，就需要閉合環(huán)路。

概括

為了幫助選擇產(chǎn)品，我們編制了一份伺服電機和步進電機之間差異的列表。

審核編輯：湯梓紅