圖解步進電機和伺服電機的應(yīng)用與維修

傳統(tǒng)步進電機與伺服電機的基本區(qū)別在于電機類型及其控制方式。步進電機通常使用50到100極無刷電機，而典型的伺服電機只有4到12極。極點是電機的一個區(qū)域，其中北極或南極磁極是由永磁體磁鐵或通過繞組的線圈通過電流產(chǎn)生的。

步進電機不需要編碼器，因為它們可以在多個極點之間精確地移動，而極少數(shù)的伺服電機則需要一個編碼器來跟蹤它們的位置。當(dāng)伺服單元讀取電機編碼器與指令位置[閉環(huán)]之間的差值，并調(diào)整移動所需的電流時，步進電機僅使用脈沖[開環(huán)]遞增地移動。

步進機和伺服機之間的一些性能差異是各自電機設(shè)計的結(jié)果。步進電機比伺服電機有更多的極點。步進電機旋轉(zhuǎn)一圈需要比伺服電機更多的電流通過繞組。與伺服相比，步進電機的設(shè)計會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低。使用更高的驅(qū)動總線電壓通過減小繞組的電氣時間常數(shù)來降低這種影響。相反地??，高極數(shù)在較低速度下具有有益效果，使得步進電機相對于相同尺寸的伺服電機具有扭矩優(yōu)勢。

另一個區(qū)別是每種電機類型的控制方式。傳統(tǒng)的步進電機在開環(huán)恒流模式下工作。這是節(jié)約成本，因為大多數(shù)定位應(yīng)用都不需要編碼器。但是，以恒定電流模式運行的步進電機系統(tǒng)會在電機和驅(qū)動器中產(chǎn)生大量的熱量，這是一些應(yīng)用的考慮因素。伺服控制僅通過提供移動或保持負(fù)載所需的電機電流來解決此問題。它也可以提供一個峰值轉(zhuǎn)矩，比加速時的最大連續(xù)電機轉(zhuǎn)矩高幾倍。然而，步進電機也可以通過增加一個編碼器在全伺服閉環(huán)模式下進行控制。

與舵機相比，分檔器更容易調(diào)試和維護。它們更便宜，特別是在小型電機應(yīng)用中。如果在設(shè)計限制范圍內(nèi)操作，它們不會丟失步驟或需要編碼器。步進電機在靜止?fàn)顟B(tài)下保持穩(wěn)定，并保持其位置沒有任何波動，特別是在動態(tài)載荷下。

伺服系統(tǒng)在要求速度大于2,000轉(zhuǎn)/分鐘的高速應(yīng)用中要求極高，而且在高速下要求高轉(zhuǎn)矩或要求高動態(tài)響應(yīng)。在低于2000RPM的轉(zhuǎn)速下以及低到中等的加速度和高保持轉(zhuǎn)矩下，步進的性能非常出色。

有人說「伺服電機其實是個系統(tǒng)」，也有人說的「伺服電機確實就是電機」誰對呢？其實都不算錯。這里的區(qū)別主要在于如何定義電機。

如果從原理角度來看，只把最核心的定子轉(zhuǎn)子算作電機，那伺服電機當(dāng)然是個系統(tǒng)，因為伺服控制電路是在電機之外的。如果從設(shè)備分類來看，整個外殼里面都算電機，那伺服電機就是個單獨的電機啦。

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

現(xiàn)在就來說說這三者的主要區(qū)別。其實三者不是并列關(guān)系，因為步進電機和伺服電機是可以在功能上對比的；而舵機指的是伺服電機在航模、小型機器人等領(lǐng)域下常用的一個特殊版本，一般來說比較輕量、小型、簡化和廉價，并附帶減速機構(gòu)。而步進電機和伺服電機本質(zhì)上的最大區(qū)別在于，一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。

步進電機接收的是電脈沖信號，根據(jù)信號數(shù)量轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步距角。通俗來講就是你推一下，我動一下。動的角度就是步距角，是步進電機的固有屬性。假如步距角是15°，表示每接收一個脈沖電機就轉(zhuǎn)過15°。所謂開環(huán)，就是只管控制，不管反饋。

步進電機接收脈沖后轉(zhuǎn)動，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，就會造成失步，也就是沒轉(zhuǎn)到位。所以說使用步進電機的場合，要么不需要位置反饋，要么在其他設(shè)備上進行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅(qū)的光頭、攝像機云臺，以及各種行業(yè)機械設(shè)備等。

步進電機一般長這樣：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)則是這樣：

步進電機與普通直流交流電機的原理均不同，步進轉(zhuǎn)動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。而伺服電機則是閉環(huán)控制，即通過傳感器實時反饋電機的運行狀態(tài)，由控制芯片進行實時調(diào)節(jié)。

一般工業(yè)用的伺服電機都是三環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，分別能反饋電機運行的角加速度、角速度和旋轉(zhuǎn)位置。芯片通過三者的反饋控制電機各相的驅(qū)動電流，實現(xiàn)電機的速度和位置都準(zhǔn)確按照預(yù)定運行。伺服電機能保證只要負(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。

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

常見的伺服電機長這樣：（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）

而舵機則是國人起的俗稱，因為航模愛好者們最初用它控制船舵、飛機舵面而得名。伺服電機的英文是servomotor。舵機呢？有人也叫servomotor，有人簡稱為servo。大概就是「伺服電機」和「小伺伺」的關(guān)系吧。

從結(jié)構(gòu)來分析，舵機包括一個小型直流電機，加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組，裝進一體化外殼。能夠通過輸入信號（一般是PWM信號，也有的是數(shù)字信號）控制旋轉(zhuǎn)角度。由于是簡化版，原本伺服電機的三環(huán)控制被簡化成了一環(huán)，即只檢測位置環(huán)。

廉價的方案就是一個電位器，通過電阻來檢測，高級的方案則會用到霍爾傳感器，或者光柵編碼器。給模型用的舵機很多干脆就是塑料外殼加塑料齒輪組。比如著名的廉價舵機SG90，俗稱9g舵機（因為重量是9g）：

稍一拆解就看到里面是這樣的：

可以看到塑料齒輪組、電機、電位器、電路板等。隨著消費級小型機器人在近兩年的熱潮，小型輕量的舵機一下子成了最合適的關(guān)節(jié)元件。但機器人關(guān)節(jié)對性能的要求遠(yuǎn)高于船舵，而作為商業(yè)產(chǎn)品也比DIY玩家對舵機質(zhì)量要求高得多。

一些有追求的消費級機器人公司，會在六足全地形機器人HEXA上使用的19個舵機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。

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