文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的步进运动执行机构，用来实现连续的、稳定的、高精度的步进运动。步进电机具有结构简单、体积小、重量轻、噪声低、可靠性高等特点。

步进电机有两种：直流电动机和交流电动机，是将电能转换为机械能，实现角位移或线位移的电机。步进电机的驱动系统由驱动器和电机组成，通常采用脉冲宽度调制（PWM）方式来控制驱动器中的电压和电流，以实现对步进电机的驱动。

交流伺服电机是一种具有位置、速度和转矩三个独立控制环节的机电一体化产品，它采用数字信号控制，可以实现位置和转矩等控制参数的闭环调节，并可根据输入信号的不同进行不同程度的无级调速。

步进电机和交流伺服电机的基本原理和结构

步进电机工作原理：根据控制信号，步进电机的转子“步进式”转动，产生步距角，并以一定的精度运行。

交流伺服电机工作原理：是将检测到的电信号转换成与输入信号成正比的交流电后，经整流、滤波、稳压、直流变换后驱动功率放大器，最后驱动电动机。

它能精确地按照输入的电信号的方向转动。通过对电流和电压波形的采样、放大、处理，数字量就变成了模拟量（如转速、转矩），然后驱动电机工作。

步进电机和交流伺服电机的主要区别在于：步进电机是定子上旋转一个“步距角”；交流伺服电机则是一个旋转磁场。

步进电机：步进电机在使用中的最大优点是高速时的高定位精度，低速时有很高的力矩和转矩，且具有很好的低速启动性能。

由于步进电机是以角位移控制输出转矩，所以它具有较高的运行速度和良好的动态性能，可以应用于高速、高速重载、低速轻载以及振动、冲击、高温、潮湿等恶劣环境。步进电机应用广泛，根据所加负载和控制信号，有步进式、编码式和混合式等多种类型。

步进电机可以通过改变驱动脉冲的频率来实现旋转角速度的控制；也可以通过改变脉冲序列的组合来实现旋转角速度的控制；还可以通过改变脉冲序列之间的相位来实现旋转角速度的控制。

交流伺服电机：交流伺服电机是一种将三相交流电整流后转换成直流电，然后通过直流变换器变成与输入信号成正比的频率为工频的交流电，再通过功率放大器将工频交流电变换成驱动电机转动的电压。

交流伺服电机用来驱动负载，其中有一个或多个位置传感器用于检测电机的实际位置。它将检测到的位置信息反馈给控制系统，以控制电机的转速和转矩。同时，它还具有“速度/位置”反馈功能，可在线检测电机的转速和位置信息。

交流伺服电机还可以通过编程实现各种控制功能，例如“换向”、“正反转”、“加速/减速”和“过力矩保护”等。

交流伺服电机具有结构简单、性能可靠、调速范围宽、低速性能好、控制精度高等优点，应用越来越广泛。

步进电机和交流伺服电机的基本原理和结构

步进电机是利用电子线路产生一个脉冲信号（通常为1/3或1/4脉冲），驱动电机转动的机构。其基本工作原理是：当脉冲信号加在电机转子上时，由于转子与定子绕组之间存在有角度（或称位移），转子便以固定的转速旋转，形成了感应电势。

感应电势通过导线与直流电相连接，当脉冲信号停止时，感应电势也随之消失。直流电再通过另一根导线与控制电路相连接。

在控制电路中，通常以脉冲数来表示脉冲的个数，一个脉冲表示为0或1的整数倍。通常步进电机的进给精度可以达到0.01度左右（1步），对定位精度要求高的场合步进电机精度可达到0.01mm（步）。

交流伺服电机是将电能转换为机械能的装置，主要由驱动电路、控制电路、测量电路三部分组成。在其输出轴上安装有交流编码器，可通过测量输入电信号（脉冲）的数目和极性来确定其输出电压（频率或幅值）的大小和方向。

通过控制电流的大小来改变交流伺服电机的转速。交流伺服电机还可以通过位置传感器和编码器实现对电机位置和速度的反馈。

步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电动机；步进电机有两种：直流电机和交流电机。直流电动机的转速由转矩脉动而定，不能高速旋转；交流电动机是将交流电变为直流电，再经过整流、滤波等电路将电压降为直流电再变回交流电。

交流伺服电机是一种具有位置、速度和转矩等独立控制环节的机电一体化产品，它采用数字信号控制（DSP），具有位置、转矩等控制参数可以进行闭环调节，并可根据输入信号的不同进行不同程度的无级调速。

其特点是体积小、重量轻、效率高、性能稳定可靠，可在各种恶劣环境下使用。交流伺服电机常与位置传感器或编码器配合使用，以提高系统精度和响应速度。

步进电机和交流伺服电机响应速度比较

在伺服驱动系统中，步进电机和交流伺服电机都有各自的响应速度。交流伺服电机响应速度要快于步进电机。通常情况下，在较高的开环转速下，步进电机可以达到很高的响应速度，但在较低的开环转速下，交流伺服电机的响应速度又会很快。

在许多应用中，步进电机可以实现极高的运动精度。从机械角度来看，步进电机在低速时有很好的跟随性能。它可以保证在低速时有很好的速度精度。因此，步进电机适用于大多数需要高运动精度的应用场合。

交流伺服电机具有非常快的响应速度，而且是无极调速，因此它可以广泛应用于很多行业。此外，交流伺服电机在高速时运行平稳可靠，在高速运行时不会出现打滑现象。由于其响应速度快，因此交流伺服电机可以广泛应用于高精度、高速度的场合中。

步进电机和交流伺服电机各有其优点和缺点：

1.步进电机具有较高的定位精度；

2.步进电机易于维护；

3.步进电机过载能力较弱；

4.步进电机控制系统比较复杂；

5.步进运动需要高精度位置检测。

步进电机具有较高的定位精度：步进电机可以按照一定的规律控制步距角，从而实现高精度定位。当速度较低时，它可以保持较好的跟随性能，而且可以达到较高的定位精度。

当步进电机转子处于静止状态时，步进电机可以通过位置传感器检测转子的位置。当转子开始运动后，位置传感器会检测到步进电机的转轴已经开始旋转。此时，步进电机可以通过自身的力矩控制方式来实现高精度定位。

由于步进电机具有高定位精度和快速响应能力，因此它可以应用于一些需要快速响应和高精度定位的领域中。

对于一些要求快速响应和高精度定位的应用，步进电机是一个很好的选择。例如在航空航天领域中，步进电机可以用于飞行器姿态控制；在医疗领域中，步进电机可以用于外科手术器械控制等。

步进电机易于维护：步进电机的维护相对简单，因为步进电机没有复杂的机械部件。由于步进电机采用数字控制技术，它可以根据设定的速度和转角进行精确的控制。

因此，步进电机可以实现较高的定位精度，但对步进电机的维护也相对简单。步进电机一般采用脉冲控制方式，只需要调节脉冲电压的大小就可以实现步进电机的运转。只要对脉冲电压进行适当调整，就可以实现较高的定位精度。

交流伺服电机的控制系统比较复杂，因为步进电机需要通过一些简单的机械部件进行驱动。因此，为了确保步进电机运行平稳可靠，步进电机需要一个良好的控制系统来保证步进电机稳定地运行。此外，步进电机不能承受过载，因此其运行时必须安装防转矩装置。

对于交流伺服驱动系统来说，为了实现步进运动的精度要求，一般需要采用闭环控制方式。这种控制方式需要设计复杂的控制器。

步进电机和交流伺服电机应用的前景

步进电机与交流伺服电机在机械制造行业的应用，使其成为了这两种驱动方式的首选。从产品本身来讲，交流伺服电机的精度更高、控制性能更好、负载能力更强；从应用范围来讲，交流伺服电机具有更好的可扩展性和通用性，步进电机在一些行业领域仍将占据主导地位。

在中国经济快速发展的大背景下，对于步进电机和交流伺服电机的应用将会越来越广泛，随着工业4.0时代的到来，工业自动化及机器人技术的发展，使得步进电机与交流伺服电机在机械制造领域得到了更加广泛地应用。

步进电机作为一种基础机械设备，其应用在机械制造行业中起到了不可替代的作用。但其在我国现阶段仍然有很大的发展空间，尤其是在高精度、高速度、高扭矩等方面。从技术角度来讲，交流伺服电机在这几个方面都具有明显优势。

随着我国经济与科技的发展，相信随着我国对于环保和节能的重视程度不断提升，工业自动化与机器人技术、数控技术和控制技术将得到更快、更好地发展。步进电机和交流伺服电机作为机械制造行业中不可替代的两大驱动装置将会被更广泛地应用。

笔者观点

步进电机和交流伺服电机各有特点，在一些特定领域里，两者各有优势，有些领域步进电机可能会更适合。在某些应用领域，比如医疗领域，步进电机可能更合适。如果步进电机在医疗领域很好地发挥其作用，那么就不需要使用伺服电机。这也是为什么步进电机会比伺服电机价格更贵的原因。

由于交流伺服电机具有位置、速度和转矩三个独立控制环节，可以通过数字信号直接对其进行控制，不需要再对其进行模拟控制；而步进电机则需要通过模拟信号对其进行控制。所以从总体上来说，交流伺服电机的定位精度要比步进电机更高。从这个角度来说，交流伺服系统应该是更好的选择。

参考文献

1、王凤才等，步进电机及其应用。机械工业出版社，。

2、《伺服控制技术》（第3版），北京：机械工业出版社，。

3、《现代电机与控制》，北京：国防科技大学出版社，。

4、《步进电机和交流伺服电机性能综合比较》（作者郝继红），北京：国防科技大学出版社，。

5、《永磁同步伺服电机驱动技术及应用》，北京：北京工业大学出版社，。