定子轉(zhuǎn)子

有人說「伺服電機(jī)其實(shí)是個(gè)系統(tǒng)」，也有人說的「伺服電機(jī)確實(shí)就是電機(jī)」誰對(duì)呢？其實(shí)都不算錯(cuò)。這里的區(qū)別主要在于如何定義電機(jī)。

如果從原理角度來看，只把最核心的定子轉(zhuǎn)子算作電機(jī)，那伺服電機(jī)當(dāng)然是個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樗欧刂齐娐肥窃陔姍C(jī)之外的。如果從設(shè)備分類來看，整個(gè)外殼里面都算電機(jī)，那伺服電機(jī)就是個(gè)單獨(dú)的電機(jī)啦。

其實(shí)在工程上并不像做理論研究那樣需要特別嚴(yán)格的定義，至少在伺服電機(jī)到底是什么東西這點(diǎn)上，大家都是沒有分歧的，也不可能有人單獨(dú)拿一個(gè)不帶伺服電路的核心電機(jī)出來銷售吧。

現(xiàn)在就來說說這三者的主要區(qū)別。其實(shí)三者不是并列關(guān)系，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)是可以在功能上對(duì)比的；而舵機(jī)指的是伺服電機(jī)在航模、小型機(jī)器人等領(lǐng)域下常用的一個(gè)特殊版本，一般來說比較輕量、小型、簡(jiǎn)化和廉價(jià)，并附帶減速機(jī)構(gòu)。而步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)本質(zhì)上的最大區(qū)別在于，一個(gè)是開環(huán)控制，一個(gè)是閉環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)接收的是電脈沖信號(hào)，根據(jù)信號(hào)數(shù)量轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步距角。通俗來講就是你推一下，我動(dòng)一下。動(dòng)的角度就是步距角，是步進(jìn)電機(jī)的固有屬性。假如步距角是15°，表示每接收一個(gè)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)過15°。所謂開環(huán)，就是只管控制，不管反饋。

步進(jìn)電機(jī)接收脈沖后轉(zhuǎn)動(dòng)，但不保證一定能轉(zhuǎn)到。比如脈沖頻率過高或者負(fù)載較大，就會(huì)造成失步，也就是沒轉(zhuǎn)到位。所以說使用步進(jìn)電機(jī)的場(chǎng)合，要么不需要位置反饋，要么在其他設(shè)備上進(jìn)行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅(qū)的光頭、攝像機(jī)云臺(tái)，以及各種行業(yè)機(jī)械設(shè)備等。

步進(jìn)電機(jī)一般長(zhǎng)這樣：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)則是這樣：

步進(jìn)電機(jī)與普通直流交流電機(jī)的原理均不同，步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)靠的是定子線圈繞組不同相位的電流以及定子和轉(zhuǎn)子上齒槽產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。而伺服電機(jī)則是閉環(huán)控制，即通過傳感器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，由控制芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

一般工業(yè)用的伺服電機(jī)都是三環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，分別能反饋電機(jī)運(yùn)行的角加速度、角速度和旋轉(zhuǎn)位置。芯片通過三者的反饋控制電機(jī)各相的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和位置都準(zhǔn)確按照預(yù)定運(yùn)行。伺服電機(jī)能保證只要負(fù)載在額定范圍內(nèi)，就能達(dá)到很高的精度，具體精度首先受制于編碼器的碼盤，與控制算法也有很大關(guān)系。

與步進(jìn)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)不同的是，伺服電機(jī)由于把控制電路放到了電機(jī)之外，里面的電機(jī)部分就是標(biāo)準(zhǔn)的直流電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)。一般情況下電機(jī)的原始扭矩是不夠用的，往往需要配合減速機(jī)進(jìn)行工作，可以使用減速齒輪組或行星減速器。伺服電機(jī)常用于需要高精度定位的領(lǐng)域，比如機(jī)床、工業(yè)機(jī)械臂、機(jī)器人等。

常見的伺服電機(jī)長(zhǎng)這樣：（里面有三環(huán)控制電路）

內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣：（這款是空心杯無刷直流電機(jī)）

而舵機(jī)則是國(guó)人起的俗稱，因?yàn)楹侥酆谜邆冏畛跤盟刂拼妗w機(jī)舵面而得名。伺服電機(jī)的英文是servomotor。舵機(jī)呢？有人也叫servomotor，有人簡(jiǎn)稱為servo。大概就是「伺服電機(jī)」和「小伺伺」的關(guān)系吧。

從結(jié)構(gòu)來分析，舵機(jī)包括一個(gè)小型直流電機(jī)，加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組，裝進(jìn)一體化外殼。能夠通過輸入信號(hào)（一般是PWM信號(hào)，也有的是數(shù)字信號(hào)）控制旋轉(zhuǎn)角度。由于是簡(jiǎn)化版，原本伺服電機(jī)的三環(huán)控制被簡(jiǎn)化成了一環(huán)，即只檢測(cè)位置環(huán)。

廉價(jià)的方案就是一個(gè)電位器，通過電阻來檢測(cè)，高級(jí)的方案則會(huì)用到霍爾傳感器，或者光柵編碼器。給模型用的舵機(jī)很多干脆就是塑料外殼加塑料齒輪組。比如著名的廉價(jià)舵機(jī)SG90，俗稱9g舵機(jī)（因?yàn)橹亓渴?g）：

稍一拆解就看到里面是這樣的：

可以看到塑料齒輪組、電機(jī)、電位器、電路板等。隨著消費(fèi)級(jí)小型機(jī)器人在近兩年的熱潮，小型輕量的舵機(jī)一下子成了最合適的關(guān)節(jié)元件。但機(jī)器人關(guān)節(jié)對(duì)性能的要求遠(yuǎn)高于船舵，而作為商業(yè)產(chǎn)品也比DIY玩家對(duì)舵機(jī)質(zhì)量要求高得多。

一些有追求的消費(fèi)級(jí)機(jī)器人公司，會(huì)在六足全地形機(jī)器人HEXA上使用的19個(gè)舵機(jī)均使用了全鋁合金外殼、金屬軸承、鋼齒輪組。全是為了保證這個(gè)小東西被買回家后也能一直活蹦亂跳下去而不是玩幾天就壞掉。

不過這樣的舵機(jī)成本不低，同品質(zhì)的在市場(chǎng)上至少需要150元，況且我們自己實(shí)現(xiàn)的不受力時(shí)進(jìn)入省電模式、超靜音無抖動(dòng)、360度無死角自由定位等特性，在其他舵機(jī)上根本是沒有的。