步進電機VS伺服電機的工作原理-詳細版
作為電機市場的兩大，伺服電機和步進電機一直都在各自的適用領域發光發熱，也因為其各有春秋而一直被討論比較。現在就讓我們從原理和驅動器原理入手，講解下伺服電機與步進電機之間究竟有哪些區別。
步進電機
步進電機作為控制用的特種電機，是將電脈沖轉化為角位移的執行機構。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(稱為“步距角")，它的旋轉是以固定的步進角度一步一步運行的。
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，改變繞組的通電順序，電機就會反轉。
步進電機需要使用專用的步進電機驅動器驅動，驅動器由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。功率驅動單元將脈沖發生控制單元生成的脈沖放大，與步進電機直接耦合，屬于步進電機與微控制器的功率接口。
控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應的脈沖發生控制單元對應生成一組相應相數的脈沖，經過功率驅動單元后送到步進電機，步進電機在對應方向上轉過一個步距角。驅動器的脈沖給定方式決定了步進電機運行方式，如下：
（4）細分驅動，需要驅動器給出不同幅值的驅動信號。步進電機有一些重要的技術數據，如靜轉矩、起動頻率、運行頻率等。一般來說步距角越小，電機靜轉矩越大，則起動頻率和運行頻率越高，所以運行方式中強調了細分驅動技術，該方式提高了步進電機的轉動力矩和分辨率，消除了電機的低頻振蕩。所以細分驅動器驅動性能優與其他類型驅動器。伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。
伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了閉環，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位。在性能上比較，交流伺服電機要優于直流伺服電機，交流伺服電機采用正弦波控制，轉矩脈動小，容量可以比較大。直流伺服電機采用梯形波控制，相對差一些。直流伺服電機中無刷伺服電機比有刷伺服電機要性能要好。伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。有刷直流伺服電機驅動器：電動機的工作原理和普通的直流電機相同，驅動器為三閉環結構，從內到外分別為電流環、速度環、位置環。電流環的輸出控制電機的電樞電壓，電流環的輸入為速度環PID的輸出，速度環的輸入為位置環的PID輸出，位置環的輸入即是給定輸入。無刷直流伺服電機驅動器：供電電源為直流，經過內部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電，供給電動機，驅動器同樣采用三閉環控制結構（電流環、速度環、位置環），驅動控制原理同上。交流伺服電機驅動器：大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊，控制板通過相應的算法輸出PWM信號，作為驅動電路的驅動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機，簡單的說是AC-DC-AC的變流過程。控制單元是整個交流伺服系統的核心，實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。控制精度：步進電機的相數和拍數越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高；低頻特性：步進電機在低速時易出現低頻振動現象，當它工作在低速時一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現象，伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象；矩頻特性：步進電機輸出力矩隨轉速的升高而下降，高速時會急劇下降，伺服電機在額定轉速內為恒力矩輸出，在額定轉速上為恒功率輸出；過載能力：步進電機不具備過載能力，伺服電機有較強的過載能力；運行性能：步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖現象，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；速度響應性能：步進電機從靜止加速到工作轉速需要上百毫秒，而交流伺服系統的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。首先來看看了部分公司伺服電機與步進電機的發展情況。江西特種電機股份有限公司《2017年半年度報告》顯示報告期內，該改公司伺服電機、步進電機收入實現50%以上的增長，機電產業轉型升級步伐不斷加快。杭州米格電機收入和利潤的快速增長，伺服電機及步進電機逐步擴大，機電產業轉型步伐加快。下半年，新能源汽車預計將進入產銷旺季、重大合同逐步交付，伺服電機、步進電機保持快速增長。運動控制領域制造商鳴志電器在步進電機行業市場規模未來將保持10%左右的增速；公司掌握控制電機的核心技術，獲得了0.9o步進電機關鍵技術,未來將快速拓展醫療設備、安防監控、航空航天、新能源等市場。同時，該公司在伺服系統市場空間廣闊,伺服技術且已初具規模。預計伺服控制市場2020年將1,000億，CAGR超15%。公司步進電機已具備類伺服特性,并逐步往集成控制方向發展。目前M2交流伺服已成熟,正在開發下一代M3。收購的AMP掌握先進伺服技術,內部整合后伺服業務正協同發展。2016年伺服業務營收2.06億元,同比增43%,收入占比達14%。就目前而言，伺服電機和步進電機的市場都保持了上漲的勢態。但是關于電機市場，向來就是眾說紛云。因為沒有專業的統計數據做為支撐，亦或是其中各個生產廠家的商業機密所在，目前為止的各類電機市場規模的分析，基本上處于定性和定量判斷的中間。有人認為根據步進電機的應用方向及市場新變化，特別是近年來PM步進電機在家電和智能設備領域的大量應用證明，步進電機在小體積智能化設備中的應用在未來的10到20年間，將是不斷強化之勢！同時，從人性化的角度進行考量，大量的便利人類的智能小設備中，對于步進電機的需求也呈現不斷上升趨勢。從理論上來說，隨著編碼器成本的降低及軟件控制技術的不斷進步，伺服電機在某些領域對步進電機的替代是無可置疑的，然而，隨著新應用的不斷出現，相反步進電機的市場則在更多領域被證明其強大的生命力的性價比，故而其市場的規模，在未來10-20年間擴張為當前規模的兩到三倍將不會只是猜測！
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更新時間：2023-03-06
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