步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、舵機(jī)三者的主要區(qū)別

有人說「伺服電機(jī)其實是個系統(tǒng)」，也有人說的「伺服電機(jī)確實就是電機(jī)」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(jī)。

如果從原理角度來看，只把最核心的定子轉(zhuǎn)子算作電機(jī)，那伺服電機(jī)當(dāng)然是個系統(tǒng)，因為伺服控制電路是在電機(jī)之外的。如果從設(shè)備分類來看，整個外殼里面都算電機(jī)，那伺服電機(jī)就是個單獨的電機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)是可以在功能上對比的；而舵機(jī)指的是伺服電機(jī)在航模、小型機(jī)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(jī)構(gòu)。而步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的固有屬性。假如步距角是15°，表示每接收一個脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)過15°。所謂開環(huán)，就是只管控制，不管反饋。

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的場合，要么不需要位置反饋，要么在其他設(shè)備上進(jìn)行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅(qū)的光頭、攝像機(jī)云臺，以及各種行業(yè)機(jī)械設(shè)備等。

步進(jìn)電機(jī)一般長這樣：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)則是這樣：

步進(jìn)電機(jī)與普通直流交流電機(jī)的原理均不同，步進(jìn)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(jī)則是閉環(huán)控制，即通過傳感器實時反饋電機(jī)的運行狀態(tài)，由控制芯片進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。

一般工業(yè)用的伺服電機(jī)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(jī)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(jī)各相的驅(qū)動電流，實現(xiàn)電機(jī)的速度和位置都準(zhǔn)確按照預(yù)定運行。伺服電機(jī)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(jìn)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)不同的是，伺服電機(jī)由于把控制電路放到了電機(jī)之外，里面的電機(jī)部分就是標(biāo)準(zhǔn)的直流電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)。一般情況下電機(jī)的原始扭矩是不夠用的，往往需要配合減速機(jī)進(jìn)行工作，可以使用減速齒輪組或行星減速器。伺服電機(jī)常用于需要高精度定位的領(lǐng)域，比如機(jī)床、工業(yè)機(jī)械臂、機(jī)器人等。

常見的伺服電機(jī)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(jī)）

而舵機(jī)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(jī)舵面而得名。伺服電機(jī)的英文是servomotor。舵機(jī)呢？有人也叫servomotor，有人簡稱為servo。大概就是「伺服電機(jī)」和「小伺伺」的關(guān)系吧。

從結(jié)構(gòu)來分析，舵機(jī)包括一個小型直流電機(jī)，加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組，裝進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)SG90，俗稱9g舵機(jī)（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(jī)、電位器、電路板等。隨著消費級小型機(jī)器人在近兩年的熱潮，小型輕量的舵機(jī)一下子成了最合適的關(guān)節(jié)元件。但機(jī)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(jī)質(zhì)量要求高得多。

一些有追求的消費級機(jī)器人公司，會在六足全地形機(jī)器人HEXA上使用的19個舵機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)上根本是沒有的。