《数控加工技术》课件第2章

第二章数控机床的伺服系统第一节概述第二节伺服电动机及其工作特性习题

第一节概述

与一般机床不同，数控机床伺服系统是一种自动控制系统，通常包含功率放大器、反馈装置等，对执行机构的速度、位置、方向进行精确控制。伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部分、执行元件和检测环节等组成。其中驱动元件主要是伺服电动机。伺服系统的一般结构图如图2-1。图2-1数控机床伺服系统结构图

一、伺服系统的基本要求

为使机床满足高速、高精度加工的需要，伺服系统应具有以下基本性能要求。

1.位移精度

伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度，伺服系统位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度，两者误差越小，位移精度越高，一般要求定位精度为0.01mm～0.001mm，高档机床的定位精度要求达到0.1μm以上。

2.稳定性

稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力，要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。

3.快速响应

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度值，对位置伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。目前数控系统的插补时间都在20ms以下，在短时间内使指令变化一次，需要伺服系统能迅速响应指令变化。

这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间；另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。

4.调速范围

调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。数控加工机床的特点是低速时进行重切削，要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求；以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。同时，为适应不同的加工条件，以及所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床的进给能在很宽的范围内实现无级变化。

5.对伺服电动机的要求

由于数控机床对伺服系统提出了如上的严格技术要求，伺服系统也对电动机提出了严格的要求。数控机床上使用的伺服电动机大多是交流伺服电动机。早期数控机床也有用专用的直流伺服电动机，如改进型直流电机、小惯量直流电机、永磁式直流伺服电动机、无刷直流电机等。在经济型数控机床上也采用混合型步进电动机。对伺服电动机的要求如下：

(1)具有较硬的机械特性和良好的调节特性。机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系。调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。理想情况下，两种特性曲线是一直线。

(2)具有宽广而平滑的调速范围。伺服系统要完成多种不同的复杂动作，需要伺服电动机在控制指令的作用下，转速能够在较大的范围内调节。性能优异的伺服电动机其转速变化可达到1∶100000。

(3)具有快速响应特性。快速响应特性是指伺服电动机从获得控制指令到按照指令要求完成动作的时间要短。响应时间越短，说明伺服系统的灵敏性越高。

(4)具有小的空载始动电压。伺服电动机空载时，控制电压从零开始逐渐增加，直到电动机开始连续运转时的电压，称为伺服电动机的空载始动电压。在外加电压低于空载始动电压时，电动机不能转动，这是由于此时电动机所产生的电磁转矩还不够克服电动机空转时所需要的空载转矩。可见，空载始动电压越小，电动机启动越快，工作越灵敏。

(5)电动机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电动机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

(6)电动机应能承受频繁启动、制动和反转。

二、伺服系统的分类

1.按调节理论分类

1)开环伺服系统

开环伺服系统控制过程为数控系统每发出一个进给指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个角度，再经传动机构带动工作台移动。这类系统信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。开环系统中没有位置检测元件和速度反馈回路，省去了检测装置，其精度主要由步进电动机来决定，速度也受到步进电动机性能的限制，系统简单可靠。

2)闭环伺服系统

闭环伺服系统控制过程为数控装置将经过运算处理的信号输出给伺服系统，伺服电动机驱动丝杠带动工作台或刀架运动，检测装置对于运动的位置和速度进行检测，并将信号反馈给数控装置进行比较运算，并矫正数控装置的输出信号，使移动轴位移精度更高，这种系统称为闭环伺服系统。应用闭环伺服系统数控机床控制精度高，但制造成本高，维修复杂。

3)半闭环伺服系统

半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移。其检测的装置为只检测伺服电动机角位移量的传感器，并不是最终的工作台或刀架的位移量，但也将检测到的信息反馈给数控装置进行运算比较，并矫正数控装置的输出信号。这种系统称为半闭环伺服系统。这类数控机床控制精度较高，介于开环和闭环两类数控机床之间，价格也是介于二者之间，而且维修较简单，能满足众多零件加工的要求，尤其是价格便宜，因此，多数数控机床属于此类控制方式。

2.按使用的执行元件分类

1)电液伺服系统

电液伺服系统的执行元件通常为电液脉冲马达和电液伺服马达，其前一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反应快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱油管等供油系统，体积大，此外还有噪声、漏油等问题，因此从20世纪70年代起就被电气伺服系统代替，只是具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。

2)电气伺服系统

电气伺服系统的执行元件为伺服电动机(步进电动机、直流电动机和交流电动机)，驱动单元为电力电子器件，操作维护方便，可靠性高。现代数控机床均采用电气伺服系统。电气伺服系统分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。

3.按被控对象分类

1)进给伺服系统

进给伺服系统是指一般概念的位置伺服系统，进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。

2)主轴伺服系统

主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。

4.按反馈比较控制方式分类

1)脉冲、数字比较伺服系统

该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。

脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定，应用十分普遍。

2)相位比较伺服系统

在该伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式。指令信号与反馈信号都变成了某个载波的相位，通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。

相位比较伺服系统适用于感应式检测元件(如旋转变压器、感应同步器)的工作状态，可以得到要求的精度。

3)幅值比较伺服系统

幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要进行幅值信号和数字信号的转换，进而获得位置偏差，构成闭环控制系统。

4)全数字伺服系统

随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已采用高速、高精度的全数字伺服系统，即由位置、速度和电流构成的三环反馈控制全部数字化，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字化方式。该类伺服系统具有使用灵活、柔性好的特点。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。

三、伺服元件的选择

1.功率变换器

交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的直流电能转变为伺服电动机电枢绕组中的三相交流电流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。

2.传感器

在伺服系统中，需要对伺服电动机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。

3.控制器

在交流伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电动机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。

交流伺服系统通常有两类：一类是速度伺服系统；另一类为位置伺服系统。前者的伺服控制器主要包括电流(转矩)控制器和速度控制器，后者还要增加位置控制器。其中电流(转矩)控制器是关键的环节，因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电动机的电流(转矩)控制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。

1)电流控制器

电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号。为了能够快速、准确地控制伺服电动机的电磁转矩，在交流伺服系统中，需要分别对永磁同步电动机(或感应电动机)的d、q轴电流进行控制。

2)速度控制器

速度环的作用是保证电动机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电动机转速的影响。速度指令与反馈的电动机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接产生q轴指令电流，并进一步用d轴电流指令共同作用，控制电动机加速、减速或匀速旋转，使电动机的实际转速与指令值保持一致。速度控制器通常采用的是PID控制方式。

3)位置控制器

位置环的作用是产生电动机的速度指令并使电动机准确定位和跟踪。通过比较设定的目标位置与电动机的实际位置，利用其偏差由位置控制器来产生电动机的速度指令。当电动机启动后，在大偏差区域产生最大速度指令，使电动机加速运行后以最大速度恒速运行；在小偏差区域产生逐次递减的速度指令，使电动机减速运行直至最终定位。

第二节伺服电动机及其工作特性

一、伺服电动机的分类电动机分为电磁型电动机和非电磁型电动机两大类，如表2-1所示。

1.电磁型电动机

电磁型电动机是可以连续旋转的电-机械转换器，主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机三大类。

1)直流伺服电动机

直流伺服电动机从20世纪70年代到80年代中期，在数控机床上占据主导地位。进给运动系统采用大惯量、宽调速永磁直流伺服电动机和中小惯量直流伺服电动机；主运动系统采用他激直流伺服电动机。大惯量直流伺服电动机具有良好的调速性能，输出转矩大，过载能力强。由于电动机自身惯量较大，容易与机床传动部件进行惯量匹配，所构成的闭环系统易于调整。

2)交流伺服电动机

在电动机控制领域，基于交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统使用交流感应异步伺服电动机(一般用于主轴伺服系统)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服系统)。20世纪80年代以后，由于交流伺服电动机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，电力电子器件的发展为控制与方法的实现创造了条件，使得交流驱动装置发展很快，目前已取代了直流伺服电动机。

3)步进电动机

步进电动机能快速启动、制动和反转，在一定范围内各个运动方式都能任意改变且不会失步，具有自整步的能力，没有一周累计误差，所以定位精度高，价格便宜。但是步进电动机动态特性不如交、直流伺服电动机，尤其是运行的可靠性得不到保证，效率低，驱动惯量负载能力差，作高速运动时容易失步。它一般在开环系统、普通数控机床、钟表工业及自动记录仪，以及对精度要求低的场合都有很广泛的应用。

2.非电磁型电动机

非电磁型电动机是利用非电磁能转换为机械能的电动机。

1)超声波电动机

超声波电动机是利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电动机相比，超声波电动机具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点。

2)压电控制电动机

压电控制电动机是利用压电体的压电逆效应进行机电能量转换的电动机。它是利用压电体在电压作用下发生振动，驱动运动件旋转或作直线运动。由于一般压电体的能量转换效率较低，且振动或伸缩的幅值很小，因而只能制成特殊要求的专用电动机，获得微小变位的蠕动。

3)磁滞控制电动机

磁滞控制电动机是利用磁滞转矩启动和运行的小功率同步电动机。其转子用剩磁和矫顽力比较大的永磁材料制成。在磁场中，铁磁性转子的单元磁体沿磁场的磁力线方向排列。它们都在中心的磁力线上。它们的极性N、S由定子磁极决定。由于磁分子的轴线与定子磁场轴线一致，所以不产生切向力和转矩。若定子磁场旋转一个角度，则由于永磁材料磁分子之间具有很大的内摩擦力，转子单元磁体不能立刻转动同样的角度，故产生磁滞现象，两者的轴线之间有某一夹角θ，磁力线被扭斜，于是产生切向力和转矩。

这种因磁滞现象而产生的转矩称磁滞转矩。磁滞电动机结构简单，工作可靠，有较大的启动力矩，噪声小，可以带动具有较大惯性的负载平滑地进入同步运行。其缺点是效率不高，电动机的体积重量都较其他类型同步电动机大，价格较贵。

4)静电控制电动机

静电控制电动机是利用静电为能量源的一种能量转换装置，具有结构简单、空载转速高的优点，但也有功率小、启动难等缺点。

二、交流伺服电动机

1.交流伺服电动机的结构

交流伺服电动机分为交流感应式伺服电动机和永磁同步式伺服电动机两类。交流感应式伺服电动机相当于异步型交流伺服电动机，常用于主轴伺服系统。永磁式交流伺服电动机相当于同步型交流伺服电动机，常用于进给伺服系统。

交流伺服电动机主要由定子和转子构成。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性和快速响应的性能，以及无“自转”现象，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，结构如图2-2所示，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，仅0.2mm～0.3mm，因而其电阻值较大。图2-2杯形转子交流伺服电动机结构图

2.交流伺服电动机的工作原理

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

励磁绕组串联电容C是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90°，从而产生所需的旋转磁场。控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相，如图2-3所示。图2-3交流伺服电动机的接线图和相量图

励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无启动转矩，转子不转。当有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流İ1和控制绕组电流İ2不同相时，便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。

交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机就会立即停转。

三、步进电动机及其工作特性

1.步进电动机的特点

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的控制系统，电动机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度(即步距角)，低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。其角位移与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。

2.步进电动机的分类和工作原理

步进电动机主要有三种：永磁式、反应式、混合式。

永磁式步进电动机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作，其电磁阻尼大，步矩角大，启动频率低，功率小。

反应式步进电动机的转子上没有励磁线圈，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作，其结构简单，步矩角小，性价比高，应用广泛，但动态性差。

混合式步进电动机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角小，结构复杂，成本高。

反应式步进电动机的应用最广泛，它有三相、四相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理，步进电动机及其驱动模块见图2-4。图2-4步进电动机及其驱动模块

单定子反应式步进电动机利用电磁铁原理，由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子激励绕组是绕置在定子铁芯上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起成为一相控制绕组，从而构成A、B、C三相控制绕组，任一相绕组通电形成一组定子磁极。转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合来工作，如图2-5所示。图2-5三相反应式步进电动机结构图

3.三相单三拍工作方式

步进电动机根据作用原理和结构，可分为永磁式步进电动机、反应式步进电动机和永磁感应式步进电动机，其中应用最多的是反应式步进电动机。图2-6为三相单三拍工作方式图，三相反应式步进电动机中，定子为三对磁极，磁极对数称为“相”，相对的极属一相，步进电动机可做成三相、四相、五相或六相等。磁极个数是定子相数m的2倍，每个磁极上套有该相的控制绕组，在磁极的极上制有小齿，转子由软磁材料制成齿状。图2-6三相单三拍工作方式图

假设转子上有四个齿，当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐；接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30°；然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°。依此类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。

若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电动机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上都均匀分布着5个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。

转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，其大小和间距与定子上的完全相同。三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。三相定子相位图如图2-7所示。图2-7三相定子相位图

根据工作要求，定、转子齿距要相同，并满足以下两点：

(1)在同相的磁极下，定、转子齿应同时对齐或同时错开，以保证产生最大转矩。

(2)在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开1/m齿距。当连续改变通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。

4.步进电动机的运行特性及性能指标

1)步进电动机的性能指标

步距角：步进电动机每步的转角称为步距角，体现为步进电动机的分辨精度，也叫分辨力。步距角是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数，它取决于电动机的结构和控制方式。反应式步进电动机的步距角一般为0.5°～3°。步距角越小，数控机床的控制精度越高。常用的步距角有3°/1.5°、1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、0.72°/0.36°等。

距角特性：步进电动机产生的静态转矩Mj与失调角θ的变化规律。输出转矩是指步进电动机的各种转速对应的输出转矩，若施加超过输出转矩的负载转矩，则步进电动机就会停止转动。因此电动机的负载转矩必须小于输出转矩。失调角θ为单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合。

空载时，若步进电动机某相绕组通电，根据步进电动机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽与该相定子槽对齐。这时，转子上没有力矩输出，如果在电动机轴上加一逆时针方向的负载转矩M，则步进电动机转子只有逆时针方向转过一个角度θ才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩Mj和负载转矩M相等，通常称Mj为静态转矩及θ角，不断改变M值，对应有Mj值及值，从而得到Mj值及θ的函数曲线，如图2-8所示。图2-8转矩-失调角特征曲线

最大启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩反映了电动机的承载能力。图2-8中最大启动转矩Mq是曲线A和B的交点，当负载力矩小于Mq时，电动机才能正常启动运行；否则将造成失步，电动机也不能正常启动。

静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差一般在10′之内。步距误差主要由步进电动机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。

2)启动频率

空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电动机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。因此，空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。步进电动机在带负载(尤其是惯性负载)下的启动频率比空载要低。随着负载加大(在允许范围内)，启动频率会进一步降低。

3)连续运行频率

步进电动机启动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，即决定了步进电动机的最高转速。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

4)矩频特性与动态转矩

矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电动机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。

5.提高步进伺服系统精度的措施

1)传动间隙补偿

传动元件的齿轮、丝杠制造装配误差，使机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电动机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。

补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电动机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动步进电动机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。

2)螺距误差补偿

滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。

补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运行时，工作台每经过一个补偿点，CNC系统就加入补偿量，补偿螺距误差。

3)步进细分电路校正误差

将一个步距角细分为若干步的驱动方法，实质上是减小了步进电动机的步距角即角脉冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别是提高了低速时的平滑性。

四、步进电动机和交流伺服电动机性能比较

步进电动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，步进电动机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电动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采用步进电动机或全数字式交流伺服电动机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，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

两相混合式步进电动机步距角一般为1.8°、3.6°，三相电机一般基本步距角为1.2°。五相混合式步进电动机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电动机步距角更小。慢走丝机床的步进电动机，其步距角为0.09°；三相混合式步进电动机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电动机的步距角。

交流伺服电动机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以全数字式交流伺服电动机为例，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°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131 072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.002746582°，是步距角为1.8°的步进电动机的脉冲当量的1/655。

2.低频特性不同

步进电动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。这种由步进电动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。当步进电动机工作在低速时，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。交流伺服电动机运转非常平稳，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，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

3.矩频特性不同

步进电动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300r/m～600r/m。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000r/m或3000r/m)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

步进电动机一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力，包括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。步进电动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

步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，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动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

步进电动机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200ms～400ms。交流伺服系统的加速性能较好，交流伺服电动机从静止加速到其额定转速3000r/m仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服电动机在许多性能方面都优于步进电动机，但在一些要求不高的场合也经常用步进电动机来做执行电动机。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。

五、直流伺服电动机

直流伺服电动机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制，具有启动转矩大、调速范围宽、机械特性和调节特性的线性度好、控制方便等优点。

直流伺服电动机分为有刷和无刷电动机。有刷电动机成本低、结构简单、启动转矩