伺服、变频和步进的差别

一、伺服技术的发展与应用

    伺服一词源于希腊语”奴隶”的意思。人们想把”伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。由于它的”伺服”性能，因此而得名。目前伺服已经成为高精度、高相应速度、高性能的代名词。

二、伺服的发展过程

    伺服分为直流伺服和交流伺服，50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

    交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，适应了高性能伺服驱动的要求。其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

三、交直流伺服区别

    交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；直流伺服是梯形波控制，转矩脉动大。但直流伺服比较简单，便宜。交流伺服电机分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机。

四、交流永磁同步与异步伺服性能比较

伺服性能	交流永磁同步伺服	交流异步伺服
结构	转子为永磁体	三相绕组线圈/鼠笼型转子
超速	超速能力差	超速能力强
成本	较高	较低
惯量	惯量较小	惯量教大
功率	大、中、小功率均有	多为大功率
控制	不可开环运行	可开环运行
性能	较好	略低于同步伺服

 

1、从同步与异步的角度分析，同步伺服与异步伺服的区别在于转差率。

2、同步伺服的转子为永磁材料，而异步伺服的转子为浇注的鼠笼转子。

3、同步伺服的超速能力不如异步伺服。

4、由于其转子材料不同，所以其惯量的大小有所差别。

5、伺服控制必须为闭环控制。

五、伺服与步进的区别

    步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多数采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲信号和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

1、控制精度不同

    两相混合式步进电机步距角一般为3.6度、1.8度，五相混合式步进电机步距角一般为0.72度、0.36度。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09度；德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8度、0.9度、0.72度、0.36度、0.18度、0.09度、0.072度、0.036度，兼容了两相和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。以松下全数字式交流伺服电机为例，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度。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收2的17次方=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072，是步距角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/655.

2、低频特性不同

    步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

    交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足。

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200RPM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。

4、过载能力不同

    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。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

    步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5、运行性能不同

    步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢失或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，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，控制性能更为可靠。

6、速度响应性能不同

    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，以我们400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

    综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

六、伺服驱动器与变频器的差异

1、控制精度不同

    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。以松下全数字式交流伺服电机为例，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度。F2OOO变频器的稳速精度在0.5%.

2、矩频特性不同

    交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。在0.2r/min转速下仍可拖动额定负载平稳运转，调速比可达到1：10000，这是变频器所达不到的。

3、具有过载能力不同

    伺服驱动器一般具有3倍过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。变频器一般允许1.5倍过载。

4、加减速性能不同

    在空载情况下伺服电机从静止状态加速到2000r/min，用时不会超20ms。电机的加速时间跟电机轴的惯量以及负载有关系，通常惯量和负载越大加速时间越长。

5、动态响应品质优良

    伺服电机在位置控制模式下，突加负载或撤载，几乎没有超调现象，电机转速不会产生波动，保证了机床加工的精度。

6、驱动对象不同

    变频器是用来控制交流异步电机，伺服驱动器用来控制交流永磁同步电机。伺服系统的性能不仅取决于驱动器的性能，而且跟伺服电机的性能有直接的关系。伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。

7、应用场合不同

    变频控制与伺服控制是两个范畴的控制。前者属于传动控制领域，或者属于运动控制领域。一个满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品。另一个就是代表着工业自动化发展水平的产品，追求高性能、高响应、高精度。

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