1、步進電機和交流伺服電機性能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系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），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

2、有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°德國百格拉公司（BERGERAHR生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為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后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/1

3、0000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的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于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動

4、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，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT,可檢測出機械的共振點，便于系統調整。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300600RPM交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM以內,都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。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，可用于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

5、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么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。五、運行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反饋信號進行采樣，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、速度響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200400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400V交流伺服

6、電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也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、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。步進電機控制概述步進電機系統可分為兩大部分，即：步進電機+驅動器。在上圖中控制系統還不完整，還要有脈沖信號源整個步進電機系統才能運轉起來。=11在實際中，步進電機驅動器要求的控制信號要復雜一些，舉例如下:驅動器要求的脈沖信號一般為TTL電平兼容的方波信號，而步距角選擇和電機使能信號為TTL電平信號。朋*仲二示丁屮初齢

7、涼總i觀心定T由皿莊皿呀揚廈用普通脈沖頻率發生器可對步進電機進行速度控制（手工調節脈沖頻率輸岀旋鈕），但它不能精確控制所輸岀的脈沖數，也就不的旋轉角度。根據應用需要，用戶可用6020系列板卡組成更復雜的步進電機控制系統，如下圖：上位機：上位機（工業PC通過控制軟件對電機控制卡進行讀寫操作，可向控制卡發送位置、速度、加速度命令。步進電機控制卡：控制卡根據主機的命令產生脈沖序列，脈沖個數（位置）、頻率（速度）及頻率變化率（加速度）均受主機控步進電機驅動器：步進電機驅動器根據接收到的脈沖信號，產生多拍節脈沖驅動信號控制步進電機旋轉。應用范圍：步進電機控制系統比伺服系統要經濟，它適用于不需要位置反饋的

8、場合。1. 什么是步進電機？步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。2. 步進電機分哪幾種？步進電機分三種：永磁式（PM，反應式（VR和混合式（HB永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸岀，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了

9、永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。3. 什么是保持轉矩（HOLDINGTORQUE?保持轉矩（HOLDINGTORQUE是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。4. 什么是DETENTTORQUE?DETENTTO

10、RQU是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENTTORQU在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE5. 步進電機精度為多少？是否累積?一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。6. 步進電機的外表溫度允許達到多少?步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。7. 為什么步進電機的力

11、矩會隨轉速的升高而下降?當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。8. 為什么步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。9. 如何克服兩相混合式步進電機在

12、低速運轉時的振動和噪聲?步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：A. 如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；B. 換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；C. 換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；D. 在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。10. 細分驅動器的細分數是否能代表精度?步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能

13、。比如對于步進角為1.8°的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。11. 四相混合式步進電機與驅動器的串聯接法和并聯接法有什么區別?四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場合

14、使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。12. 如何確定步進電機驅動器的直流供電電源?A. 電壓的確定混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為1248VDQ，電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。B. 電流的確定供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.11.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I的1.52.0倍。13. 混

15、合式步進電機驅動器的脫機信號FREEH般在什么情況下使用？當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸岀到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE言號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE言號置高，以繼續自動控制。14. 如果用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向？進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性

16、關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。目前，生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基

17、本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。二、感應子式步進電機工作原理（一）反應式步進電機原理由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。1、結構:電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3疋、2/3T,（相鄰兩軸子齒軸線間的距離為齒距以疋表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3T，C與齒3向右錯開2/3T，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：2、旋轉：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。如

18、B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3疋，此時齒3與C偏移為1/3疋，齒4與A偏移（T-1/3T）=2/3疋。如C相通電，AB相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3疋，此時齒4與A偏移為1/3T對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3T這樣經過A、B、CA分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距,如果不斷地按A，B,C,A通電，電機就每步（每脈沖）1/3T,向右旋轉。如按A，C,B,A通電，電機就反轉。由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出

19、于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3疋改變為1/6疋。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3疋變為1/12T,1/24T，這就是電機細分驅動的基本理論依據。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m（m-1）/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制一一這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，岀于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。3、力矩：電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量）當轉子與定子錯開一定角度產生力F與

20、（d/d0）成正比其磁通量=Br*SBr為磁密，S為導磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑Br=NI/RN-I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數*磁密成正比（只考慮線性狀態）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然二）感應子式步進電機1、特點:感應子式步進電機與傳統的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其

21、在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發現其條件為C=L,D=Ei一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。2、分類感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相

22、電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG（BY為感應子式步進電機代號）、57BYG86BYG110BYG（國際標準），而像70BYG90BYG130BYG?均為國內標準。3、步進電機的靜態指標術語相數：產生不同對極NS磁場的激磁線圈對數。常用m表示。拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用B表示。9=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四

23、相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為9=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為9=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。4、步進電機動態指標及術語：1、步距角精度：步進電機每轉過一

24、個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸岀力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，

25、這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示:力拒其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸岀力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖所示:其中，曲線3電流最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交流為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0

26、.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸岀電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。&電機正反轉控制:當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或(AB-AE）時為正轉，通電時序為）時為反轉DA-CA-BC-AB或(）、驅動控制系統組成1、脈沖信號的產生。脈沖信號一般由單片機或CP產生，一般脈沖信號的占空比為左右，電機轉速越高，占空比則越大。2、信號分配我廠生產的感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為代!*占Ek卷匕疾洋甘步距角為1.8

27、度；二相八拍為步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角為0.9度）。3、功率放大功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流（而樣本上的電流均為靜態電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分線等。為盡量提高電機的動態性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。我廠生產的SH系列

28、二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下：單片機或:p脈沖信號TJ-CPA中。JFREEBDIRBVCCGNDiii紅_oOi"i+5V地Zj1藍說明：CP接CP脈沖信號（負信號，低電平有效）OPTO接CPU+5VFREEFREE脫機，與CPI地線相接，驅動電源不工作DIR方向控制，與CPU地線相接，電機反轉VCC直流電源正端GND直流電源負端AA接電機引岀線紅線接電機引岀線綠線B接電機引岀線黃線B接電機引岀線藍線步進電機一經定型，其性能取決于電機的驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：力矩高壓頻率細分驅動器在步進電機步

29、距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅動器來驅動步進電機，細分驅動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。可以講細分驅動器是將脈沖拍數進行細分或將旋轉磁場進行數字化處理。是將磁場進行細分，其控制精度取決于步進電機自身精度的高低。不過也可根據不同廠家的步進電機進行修正，但這不是一般驅動器生產廠家所能做到的。因此細分驅動器往往用在減少噪音和提高電機軸輸岀的平穩性上。細分驅動細分數是指將整步細分成多少個微步。例如：一只1.8度/0.9度的電機，采用10細分的驅動器后，此時步距角為1.8度/10=0.18度。（四）步進電機的應用（一）步進電機的選擇步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度13度（三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（