电机（按用途分类）介绍

一、前言

接上文电机（按工作电源分类）介绍 我们了解了直流电机和交流电机的结构及工作原理，今天我们从电机的用途入手继续讲电机。

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二、按用途分类

电机按用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机。

1. 驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。
2. 控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。–百度百科的解释。

我们今天主要讲控制电动机。

1.步进电机

1.1 介绍

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。

1.2 工作原理

步进电机的工作原理是，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该磁场会带动永磁体转子旋转一定的角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。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。因此，可以通过控制脉冲数量、频率以及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

下图显示了步进电机电机横截面，其中步进电机的转子为永磁体。

1.3 单极性和双极性

步进电机单极性绕组和双极性绕组的区别主要在于电流的极性和电机的驱动方式。

单极性绕组是一种绕组方式，其中每个绕组只有一个极性，即电流只能在一个方向上流动。在单极性步进电机中，每个绕组都连接到电源的正极或负极，并通过控制绕组的顺序和数量来控制电机的旋转方向和步数。

双极性绕组则是一种更复杂的绕组方式，其中每个绕组都有两个极性，即电流可以在两个方向上流动。在双极性步进电机中，每个绕组都连接到电源的两个不同极性，通过控制绕组的顺序和数量以及电流的方向来控制电机的旋转方向和步数。

此外，单极性和双极性步进电机的驱动方式也有所不同。单极性步进电机通常使用一个电源驱动所有绕组，而双极性步进电机则需要两个电源来驱动所有绕组。

1.4 驱动方式

以双极步进电机为例

1.4.1 全步

两相始终同时通电，每一次开关动作会使步进电机旋转90°。另外，当使电流不断流过某一线圈时，可以保持停止状态并使步进电机具有保持转矩。顺便提一下，如果将流过线圈的电流顺序反过来，则可以使步进电机反向旋转。

1.4.2 半步

半步模式就是一次只驱动半个步距，可以将步距减小一倍（旋转45°，而不是90°），它是通过单双电交替通电实现的。其唯一的缺点是电机产生的扭矩不是恒定的，当两相都通电时扭矩较高，只有一相通电时扭矩较小。

1.4.3 微步

微步模式进一步减小步距，并且具有恒定的扭矩输出。这是通过控制每相流过的电流强度来实现的。随着电流的大小变化，线圈磁场的强度也会随之变化，转子的平衡位置也会发生变化，这就是微步驱动的原理。

1.5 分类

步进电机按照构造方式分类，分为三类分别是反应式、永磁式和混合式。

构造方式	特性说明
反应式	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	其特点是动态性能好 、输出力矩大，但这种电机精度差，步距角大（一般为7.5°或15°）
混合式	其特点是输出输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复制、成本相比较高

按照定子上绕组可分为二相、三相和五相等系列，但是最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占
97% 上的市场份额，基本上是占据了整个市场。

1.6 应用

步进电机在打印机中的应用非常广泛，主要是用来控制打印头的移动，从而实现文字、图像和图表等的精准打印。在打印机中，步进电机通常与打印头结合使用。当打印机接收到打印指令时，步进电机开始工作，通过控制线圈的通电和断电，使环形磁铁的磁场与控制线圈相互作用，从而驱动打印头在水平和垂直方向上移动。这样，打印头可以准确地定位在需要打印的位置，实现高精度的打印效果。

2.伺服电机

2.1 介绍

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可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。

简单概括：伺服电机就是一种能够将输入的电压信号转化为转矩和转速，以精确控制速度和位置的电机。

2.2 工作原理

伺服电机的工作原理可以简单概括为：输入控制信号→伺服控制器→伺服电机→输出运动。

伺服系统由伺服电机、伺服控制器和反馈装置组成。伺服电机负责产生机械输出力和扭矩，编码器则用于测量电机的位置和转速，并将测量结果反馈给伺服控制器。通过不断比较编码器的测量值和控制信号，伺服控制器可以实时调整电机的输出，以保持所需的位置和速度。

此外，伺服电机的工作原理还涉及到许多重要的技术概念和原理，包括PID控制、反馈控制、电机驱动和电路设计等。这边就不一一介绍了。对PID控制感兴趣，可以看下我的博客直流减速电机-位置环控制-位置式PID

伺服电机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。

2.3 分类

2.3.1 直流伺服电机

2.3.1.1 特性

1. 机械特性在输入的电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩变化而变化的规律
2. 调节特性直流电机在一定的电磁转矩（或负载转矩）下电机的稳态转速随电枢的控制电压变化而变化
3. 动态特性从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性

2.3.1.2 有刷和无刷

直流有刷电机和直流无刷电机的主要区别在于它们的结构和控制方式。

1. 结构：直流有刷电机由定子和转子组成，定子上安装有永磁体，转子上安装有绕组。而直流无刷电机则采用电子换向，线圈不动，磁极旋转的结构。
2. 控制方式：直流有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。而直流无刷电机则通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。

至于“刷”，在电机中通常指的是电刷。在有刷电机中，电刷是一个重要的组成部分，它与换向器配合使用，能够实现电流的换向。电刷通常是由石墨或其他导电材料制成，能够与换向器接触并传导电流。在无刷电机中，由于采用了电子换向的方式，因此没有电刷和换向器的结构。

想要更多了解见 电机（按工作电源分类）介绍 里面有具体的结构和原理。

2.3.2 交流伺服电机

2.3.2.1 特性

1. 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低
2. 定子绕组散热比较方便
3. 惯量小，易于提高系统的快速性
4. 适应于高速大力矩工作状态

2.3.2.2 同步和异步

交流同步电机和交流异步电机的区别主要在于转子的结构和转速上。

1. 转子的结构：同步电机的转子上有直流励磁绕组，需要外加励磁电源，通过滑环引入电流。而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。
2. 转速上：同步电机的转子转速与定子旋转磁场速度一致，而异步电机的转子转速则比定子旋转磁场慢，有个转差，因此称为异步电机。

总的来说，“步”在这里指的是转子与定子旋转磁场的速度关系。

想要更多了解见 电机（按工作电源分类）介绍 里面有具体的原理和特点。

2.3.3 舵机

2.3.3.1 介绍

舵机是一种常见的伺服电机，由小型直流电机、控制电路板、电位计和齿轮组构成，舵机在机器人、模型飞机、无人机、遥控车等控制领域中广泛应用。舵机分 90°、180°、270° 和 360° 舵机，其中 180° 的舵机最为常见。

2.3.3.2 划分

舵机可按照信号类型划分、按照齿轮划分、按照用途划分；

1. 按照信号类型划分为：模拟信号舵机和数字信号舵机
   • 模拟舵机：无 MCU 微控制器，电路为模拟电路，同样的舵机之间会有性能差异
   • 数字舵机：有 MCU 控制器，一般内部采用算法优化，性能比模拟舵机好

2. 按照齿轮划分为金属齿轮舵机和塑料齿轮舵机
   • 金属齿轮舵机：适用于大扭力和高速场合
   • 塑料齿轮舵机：成本低适用于中低扭矩场合

2.3.3.3 工作原理

舵机的工作原理比较简单，当接收到脉冲信号时，舵机会根据信号的脉宽计算需要转动的角度，并通过电机驱动器输出转动力矩，从而控制输出轴的旋转。通过内部的位置反馈器，舵机可以检测电机当前的位置和角度，并精确地控制输出轴的角度和位置。对舵机控制感兴趣的可以参考我的另外一篇博客舵机的简单应用

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三、 总结

今天主要按用途分类对电机进行了介绍，感谢你的观看，谢谢！