步进电机和伺服电机你真的能分清么

创元自动化 · 昨天 08:03

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今天我们讲一下步进电机和伺服电机的本质区别

一、步进电机

1. 什么是步进电机？

步进电机是一种把电脉冲转换成角位移的电机。

它的核心特征是：给一个脉冲，电机转一个固定角度。

例如常见两相混合式步进电机：

参数	典型值
步距角	1.8°
每圈步数	200 步
每个脉冲转角	1.8°

因为：

所以 200 个脉冲转一圈。

如果驱动器设置 10 细分，则：

也就是 2000 个脉冲转一圈。

2. 步进电机的本质分类

步进电机从电磁原理上看，属于一种特殊的同步电机。

常见类型有：

类型	特点
反应式步进电机	靠磁阻变化工作
永磁式步进电机	转子为永磁体
混合式步进电机	永磁 + 齿槽结构，工业最常见
两相步进电机	最常用
三相步进电机	运行更平稳
五相步进电机	精度和平稳性更好，成本高

3. 步进电机的工作原理

步进电机内部有多个定子绕组。驱动器按照一定顺序给绕组通电，形成一个一步一步旋转的磁场。转子会跟随磁场移动到下一个稳定位置。

可以理解成：

A  相通电  →  转子对准  A  相B  相通电  →  转子转到  B  相
A反相通电  →  转子继续转
B反相通电  →  转子继续转

不断切换相序，转子就一步一步转起来。

4. 步进电机控制原理

典型控制结构：

PLC /  单片机  /  运动控制器          ↓
脉冲  +  方向信号
         ↓
步进驱动器
         ↓
步进电机

常见控制信号：

<b>信号	作用
PUL 脉冲	控制转动角度和速度
DIR 方向	控制正转/反转
ENA 使能	控制驱动器使能
ALM 报警	驱动器报警反馈

位置控制原理：目标位置=脉冲数×单脉冲位移

速度控制原理：速度=脉冲频率×单脉冲位移

例如：

项目	数值
电机步距角	1.8°
驱动细分	10
每圈脉冲数	2000 pulse/rev
丝杆导程	5 mm/rev

也就是说，每发一个脉冲，理论移动 0.0025 mm

5. 开环步进与闭环步进

开环步进

普通步进电机大多是开环控制。

控制器发脉冲，驱动器执行，电机理论上按脉冲走系统默认电机没有丢步

优点是简单便宜。

缺点是：一旦负载过大、加速度过高、共振严重，电机可能丢步，但控制器不知道。

闭环步进

闭环步进电机带编码器。

控制器指令    ↓
步进驱动器
   ↓
步进电机
   ↓
编码器反馈
   ↓
驱动器修正

它可以检测位置误差，避免丢步，性能介于普通步进和伺服之间。

但是要注意：闭环步进不是严格意义上的伺服系统，只是加入反馈补偿的步进系统。

6. 步进电机特点

优点：

优点	说明
控制简单	脉冲控制即可
成本低	比伺服便宜
低速力矩大	低速定位场景好用
停止保持力强	通电后可保持位置
不需要调参	普通应用容易上手

缺点：

缺点	说明
高速性能差	转速越高力矩下降越明显
容易共振	中低速区域可能抖动
可能丢步	开环系统无法自动发现
发热明显	停止时也持续通电
噪声较大	尤其低端驱动器
不适合高速高动态	响应和效率不如伺服

二、伺服电机

1. 什么是伺服电机？

严格来说，伺服不是单指某一种电机结构，而是一整套闭环控制系统。

完整伺服系统包括：

控制器 ↓
伺服驱动器
↓
伺服电机
↓
编码器反馈
↓
驱动器闭环控制

伺服系统的核心特征是：有反馈，有闭环，能精准控制位置、速度和转矩。

所以工业上说的“伺服电机”，通常指：带编码器的高性能电机 + 伺服驱动器组成的控制系统。

2. 伺服电机的类型

伺服系统可以使用不同类型的电机：

类型	说明
直流伺服电机	早期常见，有刷结构较多
交流异步伺服电机	大惯量、大功率场合有应用
永磁同步伺服电机	现代工业最主流
直线伺服电机	直接输出直线运动
力矩电机	低速大转矩直驱

现在自动化设备上最常见的是：交流永磁同步伺服电机 PMSM + 编码器 + 伺服驱动器。

例如三菱 MR-J4、汇川SV630N、安川 Σ 系列、松下 A6、台达 ASDA 等，大多都属于这类系统。

3. 伺服电机工作原理

以永磁同步伺服为例。

电机本体部分

定子三相绕组 → 产生旋转磁场

转子永磁体 → 产生转子磁场

定子磁场拉动转子磁场旋转

反馈部分

电机后端装有编码器：

编码器作用	说明
检测位置	当前转到哪里
检测速度	位置变化率
检测方向	正转还是反转
提供换相信息	驱动器知道如何给三相绕组通电

驱动器部分

伺服驱动器根据目标值和反馈值计算误差，然后调节电流输出。

4. 伺服控制原理：三环控制

工业伺服最核心的是 三闭环控制：

位置环 ↓
速度环
↓
电流环
↓
电机
↓
编码器反馈

可以理解为：

<b>控制环	控制对象	作用
位置环	位置误差	保证走到目标位置
速度环	速度误差	保证速度平稳、响应快
电流环	电流/转矩	控制输出力矩

5. 位置环

位置环比较：目标位置 - 实际位置 = 位置误差

位置误差经过位置控制器，输出速度指令。

例如：

目标位置：100000 pulse实际位置：98000 pulse
位置误差：2000 pulse

驱动器会根据误差产生速度指令，让电机继续往目标位置靠近。

位置环主要影响：

<b>项目	说明
定位精度	能不能准确停到目标点
跟随误差	高速运动时落后多少
位置响应	指令变化后响应快慢

6. 速度环

速度环比较：目标速度 - 实际速度 = 速度误差

速度误差经过速度 PI 控制器，输出转矩指令。

速度环主要影响：

项目	说明
加减速响应	能不能快速跟随速度变化
稳速性能	速度是否波动
抗扰能力	负载变化时速度是否稳定
振动情况	增益过高容易振动

7. 电流环

电流环是最内层控制环。

伺服电机输出转矩，本质上是由电流决定的。

对于永磁同步伺服：

其中：

符号	含义
T	输出转矩
Kt	转矩常数
Iq	q轴转矩电流

电流环主要负责：

功能	说明
控制转矩	电流越大，转矩越大
快速响应	电流环响应最快
保护电机	限流、过流保护
抑制扰动	提高动态性能

8. 伺服控制模式

工业伺服常见三种模式：

模式	控制目标	应用
位置模式	控制转到哪里	搬运、点胶、丝杆定位
速度模式	控制转多快	输送、绕线、主轴
转矩模式	控制输出多大力	压装、张力、拧紧