主题乐园中机模电机的应用

步进电机与伺服电机的综合比较

主题乐园中越来越多的主题场景开始使用电子电动机模，这些包装栩栩如生、活灵活现的机模，极好的演绎了主题故事，加强了环境的沉浸感，带给大家无穷的欢乐。这些机模根据运动关节自由度和动作流畅度的要求，使用了各种类型的电机，其中以步进电机和伺服电机为主。

步进电机和伺服电机都是机器人机构中常用的，但除了成本上伺服电机要更贵以外，两者的差异还是蛮大的。本文通过说明两者之间的特点和工作原理，进一步分析两者之间的区别，给实际方案运用提供参考。

一、步进电机和伺服电机的主要特点

（一）步进电机的主要特点

1.步进电机没有积累误差。一般来说，步进电机的精度大约是其实际步距角的 3～5%，且不会累积。

2.步进电机在工作时，电脉冲信号会按一定顺序（例如 A-B-C-A-B-C 等）轮流加到各相绕组上。

3.步进电机与其它电机不同，其实际工作电压和电流可以超过额定大小，但选择时不应偏离额定值太多。

4.步进电机外表允许的最高温度可以达到 80-90° C。

5.步进电机的力矩会随着其频率（或速度）的增大而显著降低。

6.混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围。

7. 可以通过将电机与驱动器接线的 A+ 和 A-（或者 B+ 和 B-）对调即可改变其旋转方向。

（二）伺服电机的主要特点

1.起动转矩比较大，一旦给定子提供控制电压，转子就会立即转动，所以伺服电机具有起动快、灵敏度高的特点。

2.对运动控制要求高的领域中，使用灵活、范围广。

3.不会产生自转现象，正常运转的伺服电机一旦失去控制电压，电机立即停止运转。

二、步进电机和伺服电机的工作原理

（一）步进电机的工作原理

步进电机可以将电脉冲信号转换为机械信号，步进电机每发送一个电脉冲，就可以使其旋转一个固定的角度，称为步距角。步距角的大小由其转子齿数 Zr 和拍数 N 所决定。当连续给电机发送多个电脉冲信号时，就可以使其进行连续运行。此外，可以通过改变发送的电脉冲信号的频率来控制电机转动的速度，从而实现精确定位和调速的目的。

（二）伺服电机的工作原理

伺服电机内部也同样由定子和转子组成，其转子是永磁铁，驱动器控制的三相电首先在定子绕组中形成电磁场，而转子在这种电磁场的作用下发生旋转，与此同时伺服电机通过编码器将转动信号反馈给驱动器，通过闭环调节在驱动器内调整转子转动的角度，从而实现精确的定位控制。

三、步进电机和伺服电机的区别

1.控制精度的不同

步进电机是通过发送电脉冲信号的数量来控制电机的转动，一个脉冲对应一个步距角，两项混合式步进电机的步距角一般为 3. 6° 或 1. 8°，而五相混合式步进电机步距角可以达到 0. 72° 或 0. 36°。而伺服电机是通过控制发送脉冲时间的长短来控制电机所旋转的角度，其精度是有电机轴后端的旋转编码器所保证的，精度往往可以达到步进电机的几千分之一，能够实现更加精确的定位控制。

2.低频特性的不同

在低速运行时步进电机容易出现低频振动现象。其振动频率与负载情况和驱动本身的性能有关，一般来说，振动频率大概是电机空载时起跳频率的一般。当步进电机在低速运行时，需要额外采用阻尼技术等来减弱低频振动现象，比如可以在电机上加阻尼器或者是在驱动器上采用细分技术等。而交流伺服电机运转非常平稳，不论在低速运行还是高速运行时都不会出现振动的现象，因为其具有共振抑制的功能，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.矩频特性的不同

步进电机的输出转矩会随着转速的上升而降低，并且在较高转速时会出现一个急剧的下降，所以其最高工作转速一般需要控制在每分钟 300 到 600 转。而交流伺服电机在运行时属于恒定转矩的输出状态，所以在其额定转速范围内都能输出额定得转矩，需要注意的是，当在额定转速以上工作时，则为恒功率输出。

4.过载能力的不同

伺服电机具有较强的过载能力。大部分交流伺服系统就同时具有速度过载和转矩过载的能力，最大转矩可以达到额定转矩的 3 倍左右，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性转矩。

步进电机没有这种过载能力，所以在选型时为了克服惯性转矩，一般需要选取较大转矩的电机，在正常启动之后又只需要用到小部分能量，从而容易出现转矩浪费的情况。

5.运行性能的不同

步进电机所使用的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易都会导致其发生失步或堵转等现象，同时在停止过程中如果转速过高也容易出现过冲情况。

伺服驱动系统为闭环控制，驱动器在运行过程中会对电机编码器反馈信号进行采样，从而进行实时的调整，一般也不会出现失步或过冲的现象，控制和运动性能更加可靠。

6.响应能力的不同

步进电机从静止开始加速到工作转速所需要的时间大约为 200 到 400 毫秒。而交流伺服电机的响应能力要好的多，从静止开始加速到 3000r/min（额定转速）仅需几毫秒就够了，可用于需要快速启停的控制场合。

四、结论

综上所述，交流伺服电机的性能在许多方而都好于步进电机。但是由于价格等原因，在一些控制要求不高的场合也可以使用步进电机作为执行机构。所以，在实际乐园场景的机模运动控制中，要综合考虑控制要求、性能、成本、环境等多方面因素，进而选择合适的电机。