普通电机/伺服电机/减速电机/步进电机/控制电机的类型和特点

电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。 它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。 电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。 电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。 电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

电机控制是指，对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。 根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。 对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。

这里所说的普通电机、步进电机、伺服电机、舵机是指直流微电机，平时我们接触的也多是直流电机。 电动机，别名“马达”，就是指根据电磁感应定律保持电磁能的变换或传送的这种电磁感应设备。 电机也称（别名电机），在电源电路连用英文字母“M”（旧规范用“D”）表达。 其主要功能是产生驱动扭矩，用作电器或各种机器的动力源。 发电机由电路中的字母“G”表示。

普通电机

普通电机是我们平时见得比较多的电机，电动玩具，刮胡刀等里面都有，一般为直流有刷电机。 这种电机有转速过快、扭力过小的特点，一般只有两个引脚，用电池的正负极接上两个引脚就会转起来，然后电池得正负极再相反的接在两引脚上电机将会反向转动。

减速电机

减速电机就是普通电机加上了减速箱，这样便降低了转速，增加了扭力，使得普通电机有更广泛的使用空间。

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

舵机

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。 其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。 位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

舵机厂商提供的规格资料，通常都会包含外形尺寸（mm）、扭力（kg／cm）、速度（秒／60°）、测试电压（V）及重量（g）等基本资料。 扭力的单位是kg／cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。 这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。 速度的单位是sec／60°，意思是舵机转动60°所需要的时间。

伺服电机

伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样， 就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类。

交流伺服电机分为异步型交流伺服电动机、同步型交流伺服电动机两类。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

减速电机工作原理

减速齿轮电机又称齿轮减速电机或减速电机，是电机驱动闭式传动齿轮减速装置，对电机及齿轮箱进行集成组装的减速传动机构，用来降低转速和增大转矩，以满足机械设备工作的需要。

减速齿轮电机的用途：①降低转速。

把电机的转速通过减速齿轮箱实现所需要的转速，即常说的输出转速。 ②增大转矩。

同等功率条件下，输出转速越慢的齿轮减速电机，扭力越大,反之越小。 ③改变传动方向。

例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴。 ④离合功能。

我们可以通过加装刹车离合器，实现断电即时刹车的目的。

步进电机基本原理

工作原理：

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。 该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。 当定子的矢量磁场旋转一个角度。 转子也随着该磁场转一个角度。 每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。 它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。 改变绕组通电的顺序，电机就会反转。 所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

发热原理：

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。 绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗； 铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。 步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

舵机工作原理

由pwm波进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。

舵机PWM的协议都是相同的，但最新出现的舵机可能不一样

协议一般为：高电平宽度在0．5ms～2．5ms控制舵机转过不同的角度。

伺服电机工作原理

伺服电机的工作原理比较简单，但是其工作比较高效。 伺服电路内置在电机单元内部，它使用一根通常配有齿轮的柔性轴。 电信号控制电机，也决定轴的移动量。 伺服电机内部设置简单：小型直流电机，控制电路和电位器。 直流电机通过齿轮连接在控制轮上，当电机转动时，电位器的电阻发生变化，控制电路能够精确调节运动和方向。

当轴处于正确的（理想的）位置时，电机停止供电。 如果轴没有停在目标的位置，电动机一直运转，直到进入正确的方向。 目标的位置通过使用电脉冲的信号线传送。 所以，电机的速度与实际和理想的位置成正比。 当电机接近所需位置时，电机开始缓慢转动，但电机转到最远时，转速很快。 换句话说，伺服电机只需要尽可能快地完成任务，这使得它们成为高效率的设备。

什么是伺服电机? 有哪些类型？ 各自优缺点有哪些？

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类。

交流伺服电机分类

交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。 在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。 交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。

1、异步型交流伺服电动机

异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。 它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。 其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。 缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。 因而令电网功率因数变坏。

这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。

2、同步型交流伺服电动机

同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。 它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。 而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。 非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。 其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。 数控机床中多用永磁式同步电动机。 与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高； 缺点是体积大、启动特性欠佳。 但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。 它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。 又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。 这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。

直流伺服电机的分类

直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。 电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。 直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机两类。 有刷直流zhi伺服电机——dao电机成本低，结构简zhuan单，启动转矩大，调速shu范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，会产生电磁干扰，对环境有要求。 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷直流伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。 容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。 电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机的优点和缺点

优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护(适用于无尘、易爆环境)。

缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

什么是伺服电机? 有哪些类型？ 各自优缺点有哪些？

直流伺服电机的优点和缺点

优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。

缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)。

步进电机都有哪些分类？ 反应式步进电、永磁式步进电机、混合式步进电机各有什么特点

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。 每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。 因此，步进电动机又称脉冲电动机。

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（VariableReluctance，VR）、永磁式步进电机PermanentMagnet,PM）、混合式步进电机（HybridStepping,HS）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型,在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。

步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系,步进电机控制系统从其控制方式来看,可以分为三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。 半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。 结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。 其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。 其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。 最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。 该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。 由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。 同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。 步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电机控制系统从其控制方式来看，可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。 半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

伺服电机与控制电机有什么不同？ 如何选择电机？

步进电机开环控制的方式简单、易于实现、价格较低，但在这种控制方式下，转子实时位置对整个控制系统没有反馈作用，使得步进电机一度不适合在精度要求更加苛刻、高速运行和响应能力快的一些领域中的应用。 实际上，简单的判断其优点缺点带有片面性，数十年前，可以说“步进电机没有伺服电机的精度高”确实存在，但随着精密制造及驱动控制技术的进步，步进的技术也在改进，依然保持着重要的行业地位。

伺服来自英文servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。 伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。 伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层，伺服电机属于执行层，编码器通常内置在伺服电机末端。

伺服电机与控制电机有什么不同？ 如何选择电机？

两者主要有哪些不同

1、控制的方式不同

步进电机：通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角。

伺服电机：通过控制脉冲时间的长短控制转动角度。

2、工作流程不同

步进电机：工作流程为步进电机工作一般需要两个脉冲：信号脉冲和方向脉冲。

伺服电机：其工作流程就是一个电源连接开关，再连接伺服电机。

3、低频特性不同

步进电机：在低速时易出现低频振动现象。

伺服电机：运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

4、矩频特性不同

步进电机：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 300～600r/min。

伺服电机：为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000或3000r/min）以内，输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

5、过载能力不同

步进电机：一般不具有过载能力。

伺服电机：具有较强的过载能力。

如何正确选择伺服电机和步进电机

交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。 但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。 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。

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。 供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。 据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

审核编辑：汤梓红