一文看懂步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)及伺服電機(jī)的區(qū)別 - 全文

　　一、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)及伺服電機(jī)的區(qū)別

　　步進(jìn)電機(jī)：是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。簡(jiǎn)單的說(shuō)是靠電脈沖信號(hào)來(lái)控制角度與轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。所以說(shuō)他只靠脈沖信號(hào)來(lái)決定轉(zhuǎn)動(dòng)多少。因沒有傳感器，所以停止角度會(huì)有偏差。但是精確的脈沖信號(hào)則會(huì)將偏差減至最低。

　　伺服電機(jī)：靠伺服控制電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)傳感器來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)位置。所以位置控制十分精確。而轉(zhuǎn)速也是可變的。

　　舵機(jī)（電子舵機(jī)）：舵機(jī)的主要組成部分為伺服電機(jī)。其中包含伺服電機(jī)控制電路+減速齒輪組。哦，對(duì)了，伺服電機(jī)沒有減速齒輪組。而舵機(jī)有減速齒輪組。

　　如果是限位舵機(jī)，靠輸出軸下面的電位器來(lái)確定舵臂轉(zhuǎn)向角度。舵機(jī)信號(hào)控制是一種脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，凡是微控制器能輕松的產(chǎn)生這種信號(hào)。

　　二、步進(jìn)電機(jī)基本原理

　　工作原理：

　　通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　發(fā)熱原理：

　　通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)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(shuō)的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。

　　三、舵機(jī)的構(gòu)造

　　舵機(jī)主要是由外殼、電路板、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減速器與位置檢測(cè)元件所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量成正比，因此要轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量愈大的物體，所需的作用力也愈大。舵機(jī)為求轉(zhuǎn)速快、耗電小，于是將細(xì)銅線纏繞成極薄的中空?qǐng)A柱體，形成一個(gè)重量極輕的無(wú)極中空轉(zhuǎn)子，并將磁鐵置於圓柱體內(nèi)，這就是空心杯馬達(dá)。

　　為了適合不同的工作環(huán)境，有防水及防塵設(shè)計(jì)的舵機(jī)；并且因應(yīng)不同的負(fù)載需求，舵機(jī)的齒輪有塑膠及金屬之區(qū)分，金屬齒輪的舵機(jī)一般皆為大扭力及高速型，具有齒輪不會(huì)因負(fù)載過(guò)大而崩牙的優(yōu)點(diǎn)。較高級(jí)的舵機(jī)會(huì)裝置滾珠軸承，使得轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能更輕快精準(zhǔn)。滾珠軸承有一顆及二顆的區(qū)別，當(dāng)然是二顆的比較好。目前新推出的 FET 舵機(jī)，主要是采用 FET（Field Effect Transistor）場(chǎng)效電晶體。FET 具有內(nèi)阻低的優(yōu)點(diǎn)，因此電流損耗比一般電晶體少。

　　四、舵機(jī)工作原理

　　由pwm波進(jìn)入內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，觸發(fā)電機(jī)通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)電位器移動(dòng)，使電壓差為零時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而達(dá)到伺服的效果。

　　舵機(jī)PWM的協(xié)議都是相同的，但最新出現(xiàn)的舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度

　　例如某一型號(hào)如下：

　　對(duì)于不同的型號(hào)可以查找相關(guān)的舵機(jī)文檔

　　分析：

　　在此以工作頻率為50HZ，即周期為20MS的futaba s3003舵機(jī)，和51單片機(jī)為主控芯片進(jìn)行詳細(xì)程序編寫分析：

　　有上圖可知：不同寬度的脈沖可以產(chǎn)生不同的角度輸出，可以利用定時(shí)器和IO口模擬產(chǎn)生PWM波，通過(guò)定時(shí)控制占空比從而達(dá)到角度的控制，理論上計(jì)算51可以產(chǎn)生us級(jí)別的脈沖，180/2000us=0.09，可以達(dá)到0.1左右的精度。

　　五、伺服電機(jī)的工作原理

　　如下圖所示是一種采用功率運(yùn)算放大器LM675制成的伺服電動(dòng)機(jī)控制電路，電動(dòng)機(jī)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。從圖可見，功率運(yùn)算放大器LM675由15V供電，15V電壓經(jīng)RP 1加到運(yùn)算放大器LM675的同相輸入端，LM675的輸出電壓加到伺服電動(dòng)機(jī)的輸入端。電動(dòng)機(jī)上裝有測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際上測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器是一種發(fā)電機(jī)，它輸出的電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器G輸出的電壓經(jīng)分壓電路后作為速度誤差信號(hào)反饋到運(yùn)算放大器的反相輸入端。速度指令電位器RP1設(shè)定的電壓值經(jīng)R1.R2分壓后加到運(yùn)算放大器的同相輸入端，相當(dāng)于基準(zhǔn)電壓。

　　伺服電動(dòng)機(jī)的控制原理圖

　　伺服電動(dòng)機(jī)用字母M表示伺服電動(dòng)機(jī)，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力之源。運(yùn)算放大器：用電路名稱表示，即LM675，是伺服控制電路中的放大器件，為伺服電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流。

　　速度指令電位器RP1：在電路中設(shè)定運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓，即速度設(shè)定。放大器增益調(diào)整電位器RP2：在電路中分別用于微調(diào)放大器的增益和速度反饋信號(hào)的大小。

　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載發(fā)生變動(dòng)時(shí)，反饋到運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓也會(huì)發(fā)生變化，即電動(dòng)機(jī)負(fù)載加重時(shí)，速度會(huì)降低，測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器的輸出電壓也會(huì)降低，使運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓降低，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差增加，運(yùn)算放大器的輸出電壓增加。反之，當(dāng)負(fù)載變小、電動(dòng)機(jī)速度增加時(shí)，測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器的輸出電壓上升，加到運(yùn)算放大器反相輸入端的反饋電壓增加，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差減小，運(yùn)算放大器的輸出電壓下降，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的速度隨之下降，從而使轉(zhuǎn)速能自動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定值。