图解步进电机和伺服电机的应用与维修内容简介

传统步进电机与伺服电机的基本区别在于电机类型及其控制方式。步进电机通常使用50到100极无刷电机，而典型的伺服电机只有4到12极。极点是电机的一个区域，其中北极或南极磁极是由永磁体磁铁或通过绕组的线圈通过电流产生的。

步进电机不需要编码器，因为它们可以在多个极点之间精确地移动，而极少数的伺服电机则需要一个编码器来跟踪它们的位置。当伺服单元读取电机编码器与指令位置[闭环]之间的差值，并调整移动所需的电流时，步进电机仅使用脉冲[开环]递增地移动。

步进机和伺服机之间的一些性能差异是各自电机设计的结果。步进电机比伺服电机有更多的极点。步进电机旋转一圈需要比伺服电机更多的电流通过绕组。与伺服相比，步进电机的设计会导致转速降低。使用更高的驱动总线电压通过减小绕组的电气时间常数来降低这种影响。相反地??，高极数在较低速度下具有有益效果，使得步进电机相对于相同尺寸的伺服电机具有扭矩优势。

另一个区别是每种电机类型的控制方式。传统的步进电机在开环恒流模式下工作。这是节约成本，因为大多数定位应用都不需要编码器。但是，以恒定电流模式运行的步进电机系统会在电机和驱动器中产生大量的热量，这是一些应用的考虑因素。伺服控制仅通过提供移动或保持负载所需的电机电流来解决此问题。它也可以提供一个峰值转矩，比加速时的最大连续电机转矩高几倍。然而，步进电机也可以通过增加一个编码器在全伺服闭环模式下进行控制。

与舵机相比，分档器更容易调试和维护。它们更便宜，特别是在小型电机应用中。如果在设计限制范围内操作，它们不会丢失步骤或需要编码器。步进电机在静止状态下保持稳定，并保持其位置没有任何波动，特别是在动态载荷下。

伺服系统在要求速度大于2,000转/分钟的高速应用中要求极高，而且在高速下要求高转矩或要求高动态响应。在低于2000RPM的转速下以及低到中等的加速度和高保持转矩下，步进的性能非常出色。

有人说「伺服电机其实是个系统」，也有人说的「伺服电机确实就是电机」谁对呢？其实都不算错。这里的区别主要在于如何定义电机。

如果从原理角度来看，只把最核心的定子转子算作电机，那伺服电机当然是个系统，因为伺服控制电路是在电机之外的。如果从设备分类来看，整个外壳里面都算电机，那伺服电机就是个单独的电机啦。

其实在工程上并不像做理论研究那样需要特别严格的定义，至少在伺服电机到底是什么东西这点上，大家都是没有分歧的，也不可能有人单独拿一个不带伺服电路的核心电机出来销售吧。

现在就来说说这三者的主要区别。其实三者不是并列关系，因为步进电机和伺服电机是可以在功能上对比的；而舵机指的是伺服电机在航模、小型机器人等领域下常用的一个特殊版本，一般来说比较轻量、小型、简化和廉价，并附带减速机构。而步进电机和伺服电机本质上的最大区别在于，一个是开环控制，一个是闭环控制。

步进电机接收的是电脉冲信号，根据信号数量转过相应的步距角。通俗来讲就是你推一下，我动一下。动的角度就是步距角，是步进电机的固有属性。假如步距角是15°，表示每接收一个脉冲电机就转过15°。所谓开环，就是只管控制，不管反馈。

步进电机接收脉冲后转动，但不保证一定能转到。比如脉冲频率过高或者负载较大，就会造成失步，也就是没转到位。所以说使用步进电机的场合，要么不需要位置反馈，要么在其他设备上进行位置反馈。比如模型小车的车轮、光驱的光头、摄像机云台，以及各种行业机械设备等。

步进电机一般长这样：

内部结构则是这样：

步进电机与普通直流交流电机的原理均不同，步进转动靠的是定子线圈绕组不同相位的电流以及定子和转子上齿槽产生的转矩。而伺服电机则是闭环控制，即通过传感器实时反馈电机的运行状态，由控制芯片进行实时调节。

一般工业用的伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环，分别能反馈电机运行的角加速度、角速度和旋转位置。芯片通过三者的反馈控制电机各相的驱动电流，实现电机的速度和位置都准确按照预定运行。伺服电机能保证只要负载在额定范围内，就能达到很高的精度，具体精度首先受制于编码器的码盘，与控制算法也有很大关系。

与步进电机原理结构不同的是，伺服电机由于把控制电路放到了电机之外，里面的电机部分就是标准的直流电机或交流感应电机。一般情况下电机的原始扭矩是不够用的，往往需要配合减速机进行工作，可以使用减速齿轮组或行星减速器。伺服电机常用于需要高精度定位的领域，比如机床、工业机械臂、机器人等。

常见的伺服电机长这样：（里面有三环控制电路）

内部结构是这样：（这款是空心杯无刷直流电机）

而舵机则是国人起的俗称，因为航模爱好者们最初用它控制船舵、飞机舵面而得名。伺服电机的英文是servomotor。舵机呢？有人也叫servomotor，有人简称为servo。大概就是「伺服电机」和「小伺伺」的关系吧。

从结构来分析，舵机包括一个小型直流电机，加上传感器、控制芯片、减速齿轮组，装进一体化外壳。能够通过输入信号（一般是PWM信号，也有的是数字信号）控制旋转角度。由于是简化版，原本伺服电机的三环控制被简化成了一环，即只检测位置环。

廉价的方案就是一个电位器，通过电阻来检测，高级的方案则会用到霍尔传感器，或者光栅编码器。给模型用的舵机很多干脆就是塑料外壳加塑料齿轮组。比如著名的廉价舵机SG90，俗称9g舵机（因为重量是9g）：

稍一拆解就看到里面是这样的：

可以看到塑料齿轮组、电机、电位器、电路板等。随着消费级小型机器人在近两年的热潮，小型轻量的舵机一下子成了最合适的关节元件。但机器人关节对性能的要求远高于船舵，而作为商业产品也比DIY玩家对舵机质量要求高得多。

一些有追求的消费级机器人公司，会在六足全地形机器人HEXA上使用的19个舵机均使用了全铝合金外壳、金属轴承、钢齿轮组。全是为了保证这个小东西被买回家后也能一直活蹦乱跳下去而不是玩几天就坏掉。

不过这样的舵机成本不低，同品质的在市场上至少需要150元，况且我们自己实现的不受力时进入省电模式、超静音无抖动、360度无死角自由定位等特性，在其他舵机上根本是没有的。