2007-10-01 17:14:05錡鋒國際有限公司
步進及伺服簡易分別-錡鋒國際文章
步進及伺服簡易分別
定位系統中，常用的馬達不外乎是步進馬達和伺服馬達，步進馬達主要可分為「2相」、「5相」、「微步進」系統，伺服馬達則區分為DC伺服和AC伺服二種。
*2相、5相、微步進系統，主要是驅動器所表現出來之解析度的不同：
2相 步進系統馬達每轉最細可分近400格。
5相 則為1000格。
微步進 則可從200 ~ 50000(含以上)格。
表現出的特性相對以「微步進」為最好，加速及減速時間短，動態慣性低。
「AC伺服馬達」和「DC伺服馬達」主要的分別為 DC伺服馬達 比 AC伺服馬達 多一個碳刷，較有維護上的問題，而 AC伺服馬達 因沒有碳刷，所以較不會有太大維護之問題，爾後來說 AC伺服系統是較DC伺服系統為優，但DC伺服系統主要的優勢則是價位上比AC伺服系統較便宜，而該二種系統的控制精度都為相同。
步進電機和交流伺服電機性能之比較：
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯繫。在目前國內的數位控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字位式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數位控制系統中。為了適應數位控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數位式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制模式上相似（脈波串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
一、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。如市面某公司生產的一種用於慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國BERGER LAHR公司生產的三相混合式步進電機其步距角可透過撥碼開關設定為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。
交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數位式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈波當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈波電機轉一圈，即其脈波當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈波當量的1/655。
二、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。
交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不大會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，並且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便於系統調整。
三、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600Rpm。
交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000Rpm或3000Rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。
四、過載能力不同
步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
五、營運性能不同
步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器回饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
六、速度附應性能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000Rpm僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。
若以上所述，交流伺服系統在性能方面尚優於步進電機。但在一些需求尚可的市場經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的原素，選用適當的控制電機。
但從另外一個角度來看
一、控制精度不同
然而-步進電機驅動器有”細分”的概念。兩相步進電機的步進角是1.8度沒錯，但是，現下64細分的驅動器也很常見了。注意，這個時候，電機是200*64=12800個脈波轉一圈。而市面上常見的交流伺服，編碼器不過是2048或者2500線的。當然，有17位編碼器的電機，不過，步進驅動器也有256細分的。從分辨率而言，交流伺服還是要高一些，但是遠沒有那麼優越。而且，既然是說控制精度，那麼，用過伺服的人都應該知道，伺服的動態重現性是分辨率的多少倍。就常規設計而言，選型時，要把重現性指標乘以5作為伺服回饋的分辨率。這樣，伺服的控制精度真的比伺服好嗎？
二、低頻特性不同
當步進電機細分數達到32以上時，基本就沒有低頻振動的問題了。而伺服 想保持一個準確、穩定的低速，用過的人應該知道參數有多難調（只要速度、不要位置的話，還好做一點)。
三、頻矩特性不同
對於轉矩，需要補充一點，伺服本身是沒有保持力矩的，而步進電機有保持 力矩。區別在於，伺服電機的所謂靜止，實際上是一個動平衡的過程，電機不會真的停在指定位置上（所以交流伺服的重現性要定到回饋分辨率的3-5倍，而步進電機重現性可以比分辨率更高）。
四、過載能力不同
這個沒有什麼可說的，不過對於力矩浪費的說法，還是有點意見。很多步進驅動器提供了半流功能，在不需要全力矩輸出的時候，可以降低電流，減小力矩。
五、營運性能不同
丟步確實是步進電機的致命缺陷，但是，伺服就可以不考慮加減速的曲線嗎？可以試著給一個階躍信號試試，電機會有多大的抖動。不過抖歸抖，最終還是會停在正確的位置上，這確實比步進強。如果是定位控制，這個抖動就無所謂了，如果是過程控制，誰又敢這麼用？
六、速度附應性能不同
因為交流伺服可以有瞬間大扭矩輸出，所以加速性能可能比步進強，不過松下加到3000RPM用幾毫秒，需試過再進一步多確定？而且說到附應，那就不能不說交流伺服的本質缺陷──滯後。一般電機，速度環附應2毫秒，位置環附應則很少看到數據，一般認為是8毫秒。說到快速起停，伺服總是手動附應頻率限制，而步進電機基本不用考慮附應時間的問題。用步進電機可以很簡單的做到一秒起停100次，每次移動20微米，用伺服的客戶可以以此試試。
步進與伺服，無所謂優劣，各有適用場合而已，一般來說，大負載，高速度的應用，不要用步進電機，但低負載、低速度的場合，高細分的步進性能比交流伺服要好。
定位系統中，常用的馬達不外乎是步進馬達和伺服馬達，步進馬達主要可分為「2相」、「5相」、「微步進」系統，伺服馬達則區分為DC伺服和AC伺服二種。
*2相、5相、微步進系統，主要是驅動器所表現出來之解析度的不同：
2相 步進系統馬達每轉最細可分近400格。
5相 則為1000格。
微步進 則可從200 ~ 50000(含以上)格。
表現出的特性相對以「微步進」為最好，加速及減速時間短，動態慣性低。
「AC伺服馬達」和「DC伺服馬達」主要的分別為 DC伺服馬達 比 AC伺服馬達 多一個碳刷，較有維護上的問題，而 AC伺服馬達 因沒有碳刷，所以較不會有太大維護之問題，爾後來說 AC伺服系統是較DC伺服系統為優，但DC伺服系統主要的優勢則是價位上比AC伺服系統較便宜，而該二種系統的控制精度都為相同。
步進電機和交流伺服電機性能之比較：
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯繫。在目前國內的數位控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字位式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數位控制系統中。為了適應數位控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數位式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制模式上相似（脈波串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
一、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。如市面某公司生產的一種用於慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國BERGER LAHR公司生產的三相混合式步進電機其步距角可透過撥碼開關設定為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。
交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數位式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈波當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈波電機轉一圈，即其脈波當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈波當量的1/655。
二、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。
交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不大會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，並且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便於系統調整。
三、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600Rpm。
交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000Rpm或3000Rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。
四、過載能力不同
步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
五、營運性能不同
步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器回饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
六、速度附應性能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000Rpm僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。
若以上所述，交流伺服系統在性能方面尚優於步進電機。但在一些需求尚可的市場經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的原素，選用適當的控制電機。
但從另外一個角度來看
一、控制精度不同
然而-步進電機驅動器有”細分”的概念。兩相步進電機的步進角是1.8度沒錯，但是，現下64細分的驅動器也很常見了。注意，這個時候，電機是200*64=12800個脈波轉一圈。而市面上常見的交流伺服，編碼器不過是2048或者2500線的。當然，有17位編碼器的電機，不過，步進驅動器也有256細分的。從分辨率而言，交流伺服還是要高一些，但是遠沒有那麼優越。而且，既然是說控制精度，那麼，用過伺服的人都應該知道，伺服的動態重現性是分辨率的多少倍。就常規設計而言，選型時，要把重現性指標乘以5作為伺服回饋的分辨率。這樣，伺服的控制精度真的比伺服好嗎？
二、低頻特性不同
當步進電機細分數達到32以上時，基本就沒有低頻振動的問題了。而伺服 想保持一個準確、穩定的低速，用過的人應該知道參數有多難調（只要速度、不要位置的話，還好做一點)。
三、頻矩特性不同
對於轉矩，需要補充一點，伺服本身是沒有保持力矩的，而步進電機有保持 力矩。區別在於，伺服電機的所謂靜止，實際上是一個動平衡的過程，電機不會真的停在指定位置上（所以交流伺服的重現性要定到回饋分辨率的3-5倍，而步進電機重現性可以比分辨率更高）。
四、過載能力不同
這個沒有什麼可說的，不過對於力矩浪費的說法，還是有點意見。很多步進驅動器提供了半流功能，在不需要全力矩輸出的時候，可以降低電流，減小力矩。
五、營運性能不同
丟步確實是步進電機的致命缺陷，但是，伺服就可以不考慮加減速的曲線嗎？可以試著給一個階躍信號試試，電機會有多大的抖動。不過抖歸抖，最終還是會停在正確的位置上，這確實比步進強。如果是定位控制，這個抖動就無所謂了，如果是過程控制，誰又敢這麼用？
六、速度附應性能不同
因為交流伺服可以有瞬間大扭矩輸出，所以加速性能可能比步進強，不過松下加到3000RPM用幾毫秒，需試過再進一步多確定？而且說到附應，那就不能不說交流伺服的本質缺陷──滯後。一般電機，速度環附應2毫秒，位置環附應則很少看到數據，一般認為是8毫秒。說到快速起停，伺服總是手動附應頻率限制，而步進電機基本不用考慮附應時間的問題。用步進電機可以很簡單的做到一秒起停100次，每次移動20微米，用伺服的客戶可以以此試試。
步進與伺服，無所謂優劣，各有適用場合而已，一般來說，大負載，高速度的應用，不要用步進電機，但低負載、低速度的場合，高細分的步進性能比交流伺服要好。
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