普通電機/伺服電機/減速電機/步進電機/控制電機的類型和特點

電動機（Motor）是把電能轉換成機械能的一種設備。 它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產生旋轉磁場并作用于轉子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉扭矩。 電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速）。 電動機主要由定子與轉子組成，通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關。 電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。

電機控制是指，對電機的啟動、加速、運轉、減速及停止進行的控制。 根據不同電機的類型及電機的使用場合有不同的要求及目的。 對于電動機，通過電機控制，達到電機快速啟動、快速響應、高效率、高轉矩輸出及高過載能力的目的。

這里所說的普通電機、步進電機、伺服電機、舵機是指直流微電機，平時我們接觸的也多是直流電機。 電動機，別名“馬達”，就是指根據電磁感應定律保持電磁能的變換或傳送的這種電磁感應設備。 電機也稱（別名電機），在電源電路連用英文字母“M”（舊規(guī)范用“D”）表達。 其主要功能是產生驅動扭矩，用作電器或各種機器的動力源。 發(fā)電機由電路中的字母“G”表示。

普通電機

普通電機是我們平時見得比較多的電機，電動玩具，刮胡刀等里面都有，一般為直流有刷電機。 這種電機有轉速過快、扭力過小的特點，一般只有兩個引腳，用電池的正負極接上兩個引腳就會轉起來，然后電池得正負極再相反的接在兩引腳上電機將會反向轉動。

減速電機

減速電機就是普通電機加上了減速箱，這樣便降低了轉速，增加了扭力，使得普通電機有更廣泛的使用空間。

步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。 在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。 可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的； 同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

舵機

舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。 其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。 位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉動的角度。

舵機廠商提供的規(guī)格資料，通常都會包含外形尺寸（mm）、扭力（kg／cm）、速度（秒／60°）、測試電壓（V）及重量（g）等基本資料。 扭力的單位是kg／cm，意思是在擺臂長度1公分處，能吊起幾公斤重的物體。 這就是力臂的觀念，因此擺臂長度愈長，則扭力愈小。 速度的單位是sec／60°，意思是舵機轉動60°所需要的時間。

伺服電機

伺服電機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。 分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣， 就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機分為異步型交流伺服電動機、同步型交流伺服電動機兩類。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。 因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

減速電機工作原理

減速齒輪電機又稱齒輪減速電機或減速電機，是電機驅動閉式傳動齒輪減速裝置，對電機及齒輪箱進行集成組裝的減速傳動機構，用來降低轉速和增大轉矩，以滿足機械設備工作的需要。

減速齒輪電機的用途：①降低轉速。

把電機的轉速通過減速齒輪箱實現所需要的轉速，即常說的輸出轉速。 ②增大轉矩。

同等功率條件下，輸出轉速越慢的齒輪減速電機，扭力越大,反之越小。 ③改變傳動方向。

例如我們用兩個扇形齒輪可以將力垂直傳遞到另一個轉動軸。 ④離合功能。

我們可以通過加裝剎車離合器，實現斷電即時剎車的目的。

步進電機基本原理

工作原理：

通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。 該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。 當定子的矢量磁場旋轉一個角度。 轉子也隨著該磁場轉一個角度。 每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。 它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。 改變繞組通電的順序，電機就會反轉。 所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

發(fā)熱原理：

通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。 繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗； 鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。 銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。 步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

舵機工作原理

由pwm波進入內部電路產生一個偏置電壓，觸發(fā)電機通過減速齒輪帶動電位器移動，使電壓差為零時，電機停轉，從而達到伺服的效果。

舵機PWM的協(xié)議都是相同的，但最新出現的舵機可能不一樣

協(xié)議一般為：高電平寬度在0．5ms～2．5ms控制舵機轉過不同的角度。

伺服電機工作原理

伺服電機的工作原理比較簡單，但是其工作比較高效。 伺服電路內置在電機單元內部，它使用一根通常配有齒輪的柔性軸。 電信號控制電機，也決定軸的移動量。 伺服電機內部設置簡單：小型直流電機，控制電路和電位器。 直流電機通過齒輪連接在控制輪上，當電機轉動時，電位器的電阻發(fā)生變化，控制電路能夠精確調節(jié)運動和方向。

當軸處于正確的（理想的）位置時，電機停止供電。 如果軸沒有停在目標的位置，電動機一直運轉，直到進入正確的方向。 目標的位置通過使用電脈沖的信號線傳送。 所以，電機的速度與實際和理想的位置成正比。 當電機接近所需位置時，電機開始緩慢轉動，但電機轉到最遠時，轉速很快。 換句話說，伺服電機只需要盡可能快地完成任務，這使得它們成為高效率的設備。

什么是伺服電機? 有哪些類型？ 各自優(yōu)缺點有哪些？

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機分類

交流伺服電機的基本構造與交流感應電動機(異步電機)相似。 在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電機運行的目的。 交流伺服電機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節(jié)特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

1、異步型交流伺服電動機

異步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機。 它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。 其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。 缺點是不能經濟地實現范圍很廣的平滑調速，必須從電網吸收滯后的勵磁電流。 因而令電網功率因數變壞。

這種鼠籠轉子的異步型交流伺服電動機簡稱為異步型交流伺服電動機，用IM表示。

2、同步型交流伺服電動機

同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。 它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。 而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。 非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。 其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數較差、制造容量不大等缺點。 數控機床中多用永磁式同步電動機。 與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效率較高； 缺點是體積大、啟動特性欠佳。 但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質量減輕60﹪，轉子慣量減到直流電動機的1/5。 它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。 又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同，而功率因數卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。 這是因為在低速時，感應（異步）電動機由于功率因數低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據視在功率而定的。

直流伺服電機的分類

直流伺服電機基本構造與一般直流電動機相似。 電機轉速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，K為常數，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。 直流伺服電動機具有良好的線性調節(jié)特性及快速的時間響應。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機兩類。 有刷直流zhi伺服電機——dao電機成本低，結構簡zhuan單，啟動轉矩大，調速shu范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便(換碳刷)，會產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。 因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

無刷直流伺服電機——電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定。 容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。 電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

交流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制(取決于編碼器精度)，額定運行區(qū)域內，可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護(適用于無塵、易爆環(huán)境)。

缺點：控制較復雜，驅動器參數需要現場調整PID參數確定，需要更多的連線。

什么是伺服電機? 有哪些類型？ 各自優(yōu)缺點有哪些？

直流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒(無塵易爆環(huán)境不宜)。

步進電機都有哪些分類？ 反應式步進電、永磁式步進電機、混合式步進電機各有什么特點

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。 每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。 因此，步進電動機又稱脈沖電動機。

步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（VariableReluctance，VR）、永磁式步進電機PermanentMagnet,PM）、混合式步進電機（HybridStepping,HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型,在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。

步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系,步進電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看,可以分為三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。

反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。 結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。

永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。 其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。 其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。 最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。 該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。 由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。 同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。 步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系，步進電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。

伺服電機與控制電機有什么不同？ 如何選擇電機？

步進電機開環(huán)控制的方式簡單、易于實現、價格較低，但在這種控制方式下，轉子實時位置對整個控制系統(tǒng)沒有反饋作用，使得步進電機一度不適合在精度要求更加苛刻、高速運行和響應能力快的一些領域中的應用。 實際上，簡單的判斷其優(yōu)點缺點帶有片面性，數十年前，可以說“步進電機沒有伺服電機的精度高”確實存在，但隨著精密制造及驅動控制技術的進步，步進的技術也在改進，依然保持著重要的行業(yè)地位。

伺服來自英文servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。 伺服系統(tǒng)是以變頻技術為基礎發(fā)展起來的產品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)除了可以進行速度與轉矩控制外，還可以進行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。 伺服驅動器屬于自動化控制系統(tǒng)中的驅動層，伺服電機屬于執(zhí)行層，編碼器通常內置在伺服電機末端。

伺服電機與控制電機有什么不同？ 如何選擇電機？

兩者主要有哪些不同

1、控制的方式不同

步進電機：通過控制脈沖的個數控制轉動角度的，一個脈沖對應一個步距角。

伺服電機：通過控制脈沖時間的長短控制轉動角度。

2、工作流程不同

步進電機：工作流程為步進電機工作一般需要兩個脈沖：信號脈沖和方向脈沖。

伺服電機：其工作流程就是一個電源連接開關，再連接伺服電機。

3、低頻特性不同

步進電機：在低速時易出現低頻振動現象。

伺服電機：運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現振動現象。

4、矩頻特性不同

步進電機：輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在 300～600r/min。

伺服電機：為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000或3000r/min）以內，輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

5、過載能力不同

步進電機：一般不具有過載能力。

伺服電機：具有較強的過載能力。

如何正確選擇伺服電機和步進電機

交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。 但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。 所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

主要視具體應用情況而定，簡單地說要確定：負載的性質（如水平還是垂直負載等），轉矩、慣量、轉速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉矩還是速度方式。 供電電源是直流還是交流電源，或電池供電，電壓范圍。 據此以確定電機和配用驅動器或控制器的型號。

審核編輯：湯梓紅