在步進電機和伺服電機之間做出絕對的選擇是不明智的，只能使設計人員受到局限。應該了解每種電機在什么情況下能夠發(fā)揮最佳作用，以把技術(shù)的最大效用帶到下一個項目中。

對于當今的運動應用而言，伺服電機明顯是一個好的選擇，步進電機亦然。此外，比起前些年，步進電機不僅價格降低了，而且比以前更易于選型、安裝和操作。可是，在這些方面，伺服電機也有同樣發(fā)展。今天，對于“步進電機與伺服電機比較”問題的看法與從前一樣模糊不清。兩種電機利用了基本相同的技術(shù)發(fā)展并且以幾乎相同的速度進步。與五年前相比，步進電機更好地滿足了步進應用，伺服電機也同樣更好地滿足了伺服應用。

控制器改進

受益于技術(shù)發(fā)展特別多的一個領(lǐng)域是運動控制器。受到電子革命的推動，既能夠運行步進電機又能夠運行伺服電機的裝置幾乎在所有方面都變得更好了。最大的改進是在如Microsoft Windows等公用平臺上運行的易于使用的接口的開發(fā)。標準接口和平臺節(jié)省了時間和費用，簡化了安裝、編程和故障排除。

圖1  永磁伺服電機有直流電刷和無刷兩種形式。有刷形式需要的控制器比無刷形式需要的復雜程度低，常常用于低功率應用，無刷直流伺服電機(交流永磁型)需要復雜的電子電路用于通信。其繞組靠近電機外殼的外部，有助于冷卻。由于沒有電刷摩擦和電刷壓降，它們的轉(zhuǎn)動慣量也較小，更加高效、可靠

由于采用固態(tài)開關(guān)和智能電源模塊，控制器也變得更小、功效更大。現(xiàn)在的電源開關(guān)裝置降低了電壓降和開關(guān)損耗，母線電壓在565～680 VDC范圍內(nèi)具有額外的實用性，非常高效，常常能以較小的成套設備向電機傳送兩倍以上的功率。目前，智能模塊是如此靈活和堅固，有些制造商甚至把它們放在電機外殼內(nèi)部。通過附加的智能功能，現(xiàn)代運動控制器還提供多種反饋選項和控制戰(zhàn)略，而且它們比以前結(jié)合了更多的功能。比如，通信板正在成為標準配置，在控制器和智能傳動裝置上實現(xiàn)了開放式總線結(jié)構(gòu)— SynqJSct、Signet、Sercos、CanOpen、Profibus、DeviceNet、以太網(wǎng)。

有關(guān)的趨勢是PC與PLC體系結(jié)構(gòu)集成。在迅速發(fā)展的運動控制器中，“計算機”就集成在其中。在其他應用中，相反的做法更有意義：運動控制器嵌在機器控制器、PC和PLC中。無論以何種方式，機器和運動控制器之間長期存在的界限迅速縮小。對于設計人員，這真是個好消息，但是有一點必須說明，以防止誤解。比起典型的機器使用壽命，電子技術(shù)的使用壽命提高更快。因此，任何不易于升級的機器都會相當快地被淘汰。計算機硬件和軟件工程師避易就難地解決了這個問題：今天幾乎每個電子元件，都必須向后兼容，尤其是在工業(yè)機械中。

磁性材料

與控制器一樣，磁性材料在過去幾年里也有了很大改進。更好的處理以及材料組成使稀土磁體具有更大的熱容量，使供貨商能夠以較低的成本生產(chǎn)更高功率的電機磁體。電機中的透過效應意味著今天的大功率伺服電機和步進電機比其以前的型號價格更合理。

圖2  一臺步進電機相當于一臺與電阻串聯(lián)的感應器，因此，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流的增加需要時間，該時間常數(shù)限制了在任何給定電壓的速度，所以在給定的應用中，可能需要較高的電壓以提高電機的速度

此外，對于給定的實際機架規(guī)格，由于制造工藝提高，制造商可以安裝比以前更多的繞組。這樣電機能夠產(chǎn)生（以及消除）更多熱量，而不使磁體性能劣化。對于給定的效率，在相同的空間里更多的散熱相當于更大的功率和轉(zhuǎn)矩密度。

電機中最常使用的磁性材料包括釹(釹鐵硼化物)、釤鈷、鐵素體和磁鋼(鋁鎳鈷合金)。它們各有各的優(yōu)點，但前兩種能夠產(chǎn)生更高能量的磁體，生產(chǎn)更高效、更大功率的電機。實際上釹提供最高的能量，目前可以在溫度180℃以下的電機中使用。由于釹粉價格降低，并且由于磁體制造商采用了替代(注壓成型) 制造工藝，這種材料的性能會有很大改進。
但是，在現(xiàn)有的電機設計中采用高能量密度磁體并非沒有缺點。這樣的磁體通常會增加鐵中的磁通密度，使外殼和電樞疊片飽和，增加鐵損。為了避免這個問題，許多制造商正在設計新的電機系列，減少電流汲取，提高工藝效率。避免飽和是關(guān)鍵，因為一旦鐵芯飽和，更大電流通常意味著只有用更多熱量和更低效率來實現(xiàn)給定的輸出。

更高功率的步進電機

使用步進電機還是伺服電機總是一個應根據(jù)應用情況來確定的問題。盡管根據(jù)以前的經(jīng)驗和舒適程度做出決策是很自然的，但是針對適當?shù)墓ぷ鬟x擇適當?shù)碾姍C（無論是步進電機還是伺服電機），是更明智的做法。

一般而言，如果應用需要高生產(chǎn)能力，高速性能或高帶寬以便進行干擾校正，比如在機器主軸中，則應選擇伺服電機。如果性能和速度要求一般，在副軸中，比如機器調(diào)整和設置，則步進電機常常是更好的選擇。對于副軸，步進電機是理想的選擇，因為它們更易于設計到控制系統(tǒng)中而且操作費用低。在大多數(shù)情況下，步進電機不需要微調(diào)或反饋電路。由于其簡單性，它們也更不易于發(fā)生故障。

現(xiàn)代步進電機還能比其前幾代產(chǎn)品產(chǎn)生更高的功率。一個原因在于微處理器目前可以位于步進電機外殼內(nèi)，嚴格控制電流。轉(zhuǎn)子直徑增加是另一個原因，配備“超大尺寸”轉(zhuǎn)子的步進電機每單位體積產(chǎn)生更大轉(zhuǎn)矩，以及更高的慣量。10：1負載與轉(zhuǎn)子慣性比對于步進電機的尺寸確定是一個很好的經(jīng)驗法則，這也擴大了適合特定機架規(guī)格的應用范圍。改善步進電機性能的其他因素包括內(nèi)置反饋、微步進以及移動結(jié)束阻尼。盡管大多數(shù)步進電機是極其精確的開環(huán)運行，內(nèi)置反饋提供額外的精確性。微步進是一種減少步長的工藝，在低速下產(chǎn)生較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，在高速下產(chǎn)生更高的分辨率。移動結(jié)束阻尼正如它的名稱所暗示的，減少穩(wěn)定時間，同時使精度最大化。

現(xiàn)在的步進電機可能還使用外部反饋，但與前幾年相比，原因是不同的。有一個時期用過編碼器，通過保持電流脈沖與軸交角同步幫助控制器避免失速。今天，這通常是不必要的，因為有運動電子裝置處理“失速檢測”。在使用反饋的地方，它有助于校正由于其他元件造成的未對準問題，比如定位表中的誤差。也就是說，需要反饋的許多步進電機應用開始接近伺服系統(tǒng)的費用，在這種情況下，兩種系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點均應考慮。

加大功率的伺服電機

比起步進電機，伺服電機有兩個明顯的優(yōu)點：它們可以在廣泛的速度范圍上產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，而且是以小型成套裝置完成的。在過去幾年里，它們的價格也有了大幅度降低，主要是由于大量生產(chǎn)。

圖5  無刷直流電機常常使用霍耳效應傳感器，在正弦整流運動中，加電時使用霍耳傳感器反饋以便在基于標準數(shù)字編碼器反饋轉(zhuǎn)換到正弦整流之前測定整流順序，在六步傳動裝置中，霍耳傳感器反饋單獨測定整流

長期以來，微調(diào)問題曾經(jīng)是困擾伺服電機用戶的一大難題。實際上，有些伺服系統(tǒng)可以自動進行微調(diào)并適應任何機械系統(tǒng)而不降低性能。盡管伺服電機設計為高速運行，在精確控制下，它們也可以在極低的速度下運行，甚至低至0r/min。然而，在精度不成問題的地方，對于低速應用，步進電機通常是更經(jīng)濟的解決方案。一般而言，“低速”指低于1000 r/min。高于1000 r/min時，步進電機轉(zhuǎn)矩開始下降，這是由于能量損失以及磁路時間常數(shù)的原因。相比之下，有類似轉(zhuǎn)矩的伺服電機在達到約2500～3000 r/min或以上之前轉(zhuǎn)矩不會下降。

其他因素，比如功率、轉(zhuǎn)矩和重復性決定在1000～3000 r/min之間的速度范圍內(nèi)使用何種電機，如1.5kW（2hp）以上時，通常使用無刷伺服電機；1.5kW（2hp）以下時，伺服電機和步進電機性能趨向于重疊。在低速時，失速期間，或者保持負載時，對于給定的機架規(guī)格，步進電機（配備超大尺寸轉(zhuǎn)子）比伺服電機能夠產(chǎn)生更高轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩使步進電機在沒有齒輪箱或其他機械增益的情況下產(chǎn)生極其精確和剛性的低速運動。

在步進電機靜止時，沒有運動。相比之下，啟用時，由于不斷的閉環(huán)誤差校正，伺服電機從來不靜止。伺服電機的這種“高頻振動”通常相當于不超過幾個反饋計數(shù)，盡管在大多數(shù)應用中不易察覺，在另一些應用中卻是絕對不可接受的。在重復性和分辨率被重視的地方，傳統(tǒng)上伺服電機的領(lǐng)域，現(xiàn)在可以考慮步進電機了。要求負載必須是可預測的，或者只受到小外力的影響。此時，步進電機（開環(huán)運行）比相當?shù)乃欧姍C解決方案可以節(jié)省30%。