当伺服电机和步进电机都满足定位应用的基本要求时，对这两种技术有更深入的了解，才能让我们从二者之间做出明智的选择。

在本文中，我们将总结伺服电机系统和步进电机系统之间的区别。

让我们从两种电机技术概况的比较开始。

Fig.1 伺服电机与步进电机

虽然伺服电机和步进电机的转子都是永磁体，都需要驱动电路才能运行，但设计上存在根本差异，从而导致性能差异。

电机设计

通过指令可以使步进电机移动到某个位置，停止，然后保持。而伺服电机需要通过编码器反馈“寻找”目标位置。可以看出，第一个主要区别是伺服电机需要增加编码器，增加编码器同时也就增加了电机长度。

第二个主要区别是极数，这里讨论的极数是“磁极”，可以定义为转子上的南北磁极。来自定子的磁通与转子相互作用，磁极提供特定的稳定点。

要了解步进电机和伺服电机之间的极数差异，我们需要深入了解每种电机设计。下图为步进电机的构造和转子、定子的剖视图：

Fig.2 步进电机的结构

步进电机的设计是使用轴向磁化的稀土永磁体，安装在两个齿形转子之间，使两个转子上的齿的磁极相反。转子可以有50~100齿，两个转子错开半个齿距，每个齿为一个磁极。上图以蓝色和红色描述了两个转子上的齿（轴侧视图）。

Fig.3 伺服电机的结构

伺服电机使用径向磁化的转子，而不是齿形结构转子，这是伺服电机极数减少的主要原因。由于极数明显少于步进电机，所以就需要使用编码器反馈来减小运行中的误差。

伺服电机的设计通常使用2~8极的转子和3相定子（U、V、W）。转子采用分段径向磁化的永磁体，而不使用步进电机使用的轴向磁化的永磁体。

下图是带有6极定子和4极转子设计的伺服电机。显而易见，由于没有使用齿形结构的转子，伺服电机提供的极数明显少于步进电机。

Fig.3 伺服电机的结构

由于需要使用编码器，伺服电机需要更多的空间。极数少可以使其在高速度下产生更高的扭矩。步进电机可以在没有编码器的情况下开环运行，因此尺寸更加紧凑。

定位精度

“定位精度”是定位系统的最重要的参数指标。当然步进电机和伺服电机都可以准确定位，但是不同的电机或者不同的厂家型号的“定位精度”是不同的。

步进电机的定位精度取决于绕组（电气）和齿结构（机械）的制造质量，而伺服电机的定位精度取决于装配精度、编码器精度和算法。

需要注意的是，转子和定子之间的气隙非常小，滚珠轴承是唯一的接触点。摩擦扭矩或重力负载会导致实际定位位置发生偏差，因此从一个位置移动到另一个位置时会有一点点误差。下图绘制了电机旋转一圈时的误差值：

伺服电机：

Fig.4 伺服电机的精度

步进电机：

Fig.5 步进电机的精度

伺服电机和步进电机的定位精度都约为+/-0.02°，定位精度低于步进电机典型的重复精度 +/-0.05°。步进电机在360°内每运行7.2°增量时有很好的重复性，伺服电机的定位精度取决于其编码器分辨率和精度。

高速性能

伺服电机比步进电机运行速度更高。意味着伺服电机将在指定的RPM下可以输出比步进电机更大的扭矩。扭矩的性能差异来自极数的差异，以及伺服电机和步进电机设计之间的绕组磁通（电感）。

极数也会影响电机绕组旋转一圈需要前进的次数。对于伺服电机，需要12个 “Step“就可以转动一整圈；对于2相步进电机，需要 200个 “Step”。在低速运行时，不会有显著差异，但在高速运行时，驱动器将无法充足的为绕组供电，电流与扭矩成正比，因此扭矩会在高速时降低。

步进电机和伺服电机之间的性能差异，可以通过速度-扭矩曲线体现出来。下图以相同外形尺寸的伺服电机和步进电机来进行对比：

200 W (1/4 HP) 60 mm Servo Motor

Fig.6 伺服电机的高速性能

NEMA 23 Stepper Motor

Fig.7 步进电机的高速性能

步进电机的高极数使其在启动时产生高扭矩，低速运行平稳，可以快速响应，无需编码器即可准确定位，并轻松产生保持力矩。然而，由于绕组电感高、高极数和高L/R常数，在高速运行下转矩会降低。

伺服电机的低极数和低绕组电感启动时无法产生高扭矩，但在允许运行速度范围内可以更好地保持扭矩。

闭环反馈

伺服电机必须采用闭环控制运行，步进电机通常采用开环控制运行。伺服电机使用反馈来控制电机的位置、速度、扭矩。步进电机通过接收指令移动到指定位置，不需要反馈，但可能会因过载而丢“Step”。

增加反馈以保持同步会使驱动器设计更复杂，同时也增加了组件的数量。典型步进电机系统包含脉冲发生器、相序器和FET；伺服电机系统还包含转子位置计数器、F/V 转换器、电流放大器、速度放大器、位置放大器和偏差计数器，这组件都需要在PID回路中运行，在PID回路中驱动器不断计算误差并调整比例/积分/微分增益来进行实时校正，就是伺服电机更昂贵和存在处理时间的原因。

伺服电机系统

Fig.8 伺服电机系统

步进电机系统

Fig.9 步进电机系统

增加闭环反馈，电机的负载与转子的惯性比也会增加。步进电机可以处理自身10倍的转子惯量；伺服电机可以处理自身100倍的转子惯量；闭环步进电机可以处理自身30倍其转子惯量。

步进电机无需反馈即可运行，运行所需的组件更少，因此成本更低。伺服电机需要反馈在PID回路中运行，运行需要更多组件，因此成本更高。

效率

步进电机使用电流斩波驱动技术，无论负载如何，它都能提供恒定的电流，电流与温度成正比，因此步进电机的占空比需要限制在50%左右。伺服电机提供更有效的电流控制，因为它只吸收所需的电流。步进电机在零速时产生保持转矩所需的功率更少。伺服电机在零速时产生保持转矩则需更多的功率。

闭环反馈还的电流控制效率还可以提高，但这会影响电机温度和使用寿命。在下图中，我们绘制了温升与电机工作占空比[%]的关系图。请注意温度是如何随着运行负载而升高。这就是步进电机需要限制占空比的原因。电机的使用寿命取决于其轴承润滑脂寿命，而轴承润滑脂寿命取决于温度。

Fig.10 运行占空比与温度曲线Fig.11 油脂与温度关系曲线

高效的电流控制还可以带来其他性能优势，例如更低的噪音和振动。另外，需要正确选择电机尺寸。当步进电机尺寸不合适时，它往往会产生更多的振动；当伺服电机的尺寸或调整不合适时，它往往会出现更多“振荡”。

仅汲取所需电流的能力是伺服电机系统的一大优势，它还有助于延长使用寿命、降低某些应用的噪音、降低功耗。步进电机要获取相同类型的高效电流控制，就需要进行闭环控制。

总结

为了帮助选择产品，我们编制了伺服电机和步进电机之间差异的列表。

Fig.12 伺服电机与步进电机差异