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步进电机伺服电机舵机的道理和区别?

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2020/02/25点击数:

  请大牛帮忙系统的科普一下,虽然百度上也能搜到一些,但总感觉不是很专业和形象,希望万能的知乎能够用图文比较的方式解释一下原理和区别,谢谢了! 顺便问一下,他们三比较准确的英文分别是什么? 步进电机,Stepping Motor 伺服电机,Servo motor 舵机,也是Servo?这里有点搞不清楚,舵机和伺服电机的英文是同一个? 下面是百度搜到的信息: 【步进电机:是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。简单的说…

  这个问题底下出现了一点小分歧,一个是@冷哲说的「伺服电机其实是个系统」,另一个是@詹姆斯艾伦说的「伺服电机确实就是电机」。

  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。

  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。

  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°。

  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。

  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):

  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。

  作为一家有追求的消费级机器人公司,我们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。

  其实伺服电机是这么一种电机,它主要用于比较精准的位置、速度或力矩输出。准确地说,伺服电机不是说一个电机,而是一个系统。所以仅仅一台电机都不能算是伺服电机,因为他们并不具备伺服电机的功能。伺服电机是一个电机系统,它包含电机、传感器和控制器。直流无刷电机可以是伺服电机里面的一部分,交流电机也可以是,但他们并不是伺服电机。作为一个系统,它可以有减速齿轮,也可以没有。

  那么舵机是什么呢?舵机是个俗称,是玩航模、船模的人起的。因为这种电机比较常用于舵面操纵。

  所谓舵机,其实就是个低端的伺服电机系统,它也是最常见的伺服电机系统,因此英文叫做Servo,就是Servomotor的简称。它将PWM信号与滑动变阻器的电压相比对,通过硬件电路实现固定控制增益的位置控制。也就是说,它包含了电机、传感器和控制器,是一个完整的伺服电机(系统)。价格低廉、结构紧凑,但精度很低,位置镇定能力较差,能够满足很多低端需求。

  步进电机英文是stepper/step/stepping motor。主要是依靠定子线圈序列通电,顺次在不同的角度形成磁场,推拉定子旋转。

  步进电机的好处是,你可以省掉用于测量电机转角的传感器。因此在结构上和价格上有一定的优势。而且它的位置和速度控制相对简单。其缺点是,第一,与同等功率的电机相比载荷比较小,没有角度传感器的情况下不能输出大力矩。第二,功耗相对较大,要么全开,要么全关。所以要么接近满功耗,要么就不能出力。(具体原因和结构可以查阅相关资料,网上到处都是,并不难以理解,我这里就不冗述了)

  因此步进电机一般只用于载荷较小而且十分确定、位置精度要求并不非常高,对体积敏感或在较低价格想要做到较高可靠性的场合。最常见的就是光驱、扫描仪、复印机等等。当然,它和舵机一样,也受到没有能力自行搭建伺服电机系统的业余爱好者的喜爱,在一些业余项目上面用于替代完整的伺服电机系统。

  那么举个简单的例子。扫描仪(包括现在商务打印机里面的扫描仪)经常有一个动作,就是在真正扫描之前,扫描器要从滑轨一头先快速运动到另一头。其实那是系统在找位置零点。那里面用的是一个步进电机,它驱动扫描器运动。但是开始执行扫描任务时,系统并不知道那个扫描器的确切位置(因为没有位置传感器),所以它只能先驱动扫描器向滑轨另一边走。在滑轨的那个尽头,有一个触碰开关,一旦扫描器碰到它,就会产生电信号。这样系统就知道扫描器走到了尽头,这时候就确定了扫描器的位。