參考：步進電機、伺服電機、舵機的原理和區別？ - Vincross的回答 - 知乎
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目錄

• 什么是電機
• 步進電機(無反饋)
• 伺服電機(有反饋)
• 舵機
• 有刷電機工作原理
• 無刷電機工作原理
• 有刷電機與無刷電機調速方式的區別
• 性能差異
• 無刷電機控制原理

什么是電機

如何定義電機？

如果從原理角度來看，只把最核心的定子轉子算作電機，那伺服電機當然是個系統，因為伺服控制電路是在電機之外的；如果從設備分類來看，整個外殼里面都算電機，那伺服電機就是個單獨的電機啦。其實在工程上并不像做理論研究那樣需要特別嚴格的定義，至少在伺服電機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出來銷售吧。

來說說這三者的主要區別：

• 舵機指的是伺服電機在航模、小型機器人等領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，并附帶減速機構；
• 步進電機和伺服電機本質上的最大區別在于，一個是開環控制，一個是閉環控制。

步進電機(無反饋)

步進電機接收的是電脈沖信號，根據信號數量轉過相應的步距角。通俗來講就是你推一下，我動一下。動的角度就是步距角，是步進電機的固有屬性。假如步距角是15°，表示每接收一個脈沖電機就轉過15°。

所謂開環，就是只管控制，不管反饋。步進電機接收脈沖后轉動，但不保證一定能轉到。比如脈沖頻率過高或者負載較大，就會造成失步，也就是沒轉到位。所以說使用步進電機的場合，要么不需要位置反饋，要么在其他設備上進行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅的光頭、攝像機云臺，以及各種行業機械設備等。步進電機一般長這樣：

內部結構則是這樣：

步進電機與普通直流交流電機的原理均不同，步進轉動靠的是定子線圈繞組不同相位的電流以及定子和轉子上齒槽產生的轉矩。

伺服電機(有反饋)

伺服電機則是閉環控制，即通過傳感器實時反饋電機的運行狀態，由控制芯片進行實時調節。一般工業用的伺服電機都是三環控制，即電流環、速度環、位置環，分別能反饋電機運行的角加速度、角速度和旋轉位置。

芯片通過三者的反饋控制電機各相的驅動電流，實現電機的速度和位置都準確按照預定運行。伺服電機能保證只要負載在額定范圍內，就能達到很高的精度，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系。與步進電機原理結構不同的是，伺服電機由于把控制電路放到了電機之外，里面的電機部分就是標準的直流電機或交流感應電機。一般情況下電機的原始扭矩是不夠用的，往往需要配合減速機進行工作，可以使用減速齒輪組或行星減速器。伺服電機常用于需要高精度定位的領域，比如機床、工業機械臂、機器人等。常見的伺服電機長這樣：（里面有三環控制電路）

內部結構是這樣：（這款是空心杯無刷直流電機）

舵機

舵機則是國人起的俗稱，因為航模愛好者們最初用它控制船舵、飛機舵面而得名。伺服電機的英文是servomotor。舵機呢？有人也叫servomotor，有人簡稱為servo。大概就是「伺服電機」和「小伺伺」的關系吧。從結構來分析，舵機包括一個小型直流電機，加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組，裝進一體化外殼。

能夠通過輸入信號（一般是PWM信號，也有的是數字信號）控制旋轉角度。由于是簡化版，原本伺服電機的三環控制被簡化成了一環，即只檢測位置環。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SG90，俗稱9g舵機（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、電位器、電路板等。隨著消費級小型機器人在近兩年的熱潮，小型輕量的舵機一下子成了最合適的關節元件。但機器人關節對性能的要求遠高于船舵，而作為商業產品也比DIY玩家對舵機質量要求高得多。作為一家有追求的消費級機器人公司，我們在六足全地形機器人HEXA上使用的19個舵機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。不過這樣的舵機成本不低，同品質的在市場上至少需要150元，況且我們自己實現的不受力時進入省電模式、超靜音無抖動、360度無死角自由定位等特性，在其他舵機上根本是沒有的。

有刷電機工作原理

有刷電機是大家最早接觸的一類電機，中學時物理課堂上介紹電動機也是以它為模型來展示的。有刷電機的主要結構就是定子+轉子+電刷，通過旋轉磁場獲得轉動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉動中起到導電和換相作用。

有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。

在有刷電機中，這個過程是將各組線圈的兩個電源輸入端，依次排成一個環，相互之間用絕緣材料分隔，組成一個象圓柱體的東西，與電機軸連成一體，電源通過兩個碳元素做成的小柱子（碳刷），在彈簧壓力的作用下，從兩個特定的固定位置，壓在上面線圈電源輸入環狀圓柱上的兩點，給一組線圈通電。

隨著電機轉動，不同時刻給不同線圈或同一個線圈的不同的兩極通電，使得線圈產生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差，磁場異性相吸、同性相斥，產生力量，推動電機轉動。碳電極在線圈接線頭上滑動，象刷子在物體表面刷，因此叫碳“刷”。

相互滑動，會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷；碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發生電火花，產生電磁破，干擾電子設備。

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無刷電機工作原理

無刷電機中，換相的工作交由控制器中的控制電路（一般為霍爾傳感器+控制器，更先進的技術是磁編碼器）來完成。

無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉。無刷電機，是使用一套電子設備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產生正確方向的磁力，來驅動電機。消除了有刷電機的缺點。

這些電路，就是電機控制器。無刷電機的控制器，還可以實現一些有刷電機不能實現的功能，比如調整電源切換角，制動電機，使電機反轉，鎖住電機，利用剎車信號，停止給電機供電。現在電瓶車的電子報警鎖，就充分利用了這些功能。

無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

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有刷電機與無刷電機調速方式的區別

實際上兩種電機的控制都是調壓，只是由于無刷直流采用了電子換向，所以要有數字控制才可以實現了，而有刷直流是通過碳刷換向的，利用可控硅等傳統模擬電路都可以控制，比較簡單。

?1、有刷馬達調速過程是調整馬達供電電源電壓的高低。調整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉換，改變電極產生的磁場強弱，達到改變轉速的目的。這一過程被稱之為變壓調速。

?2、無刷馬達調速過程是馬達的供電電源的電壓不變，改變電調的控制信號，通過微處理器再改變大功率MOS管的開關速率，來實現轉速的改變。這一過程被稱之為變頻調速。

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性能差異

ti的一個介紹視頻關于有刷電機與無刷電機的對比，如下圖所示，很完整。

1、有刷電機結構簡單、開發時間久、技術成熟

早在十九紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機在交流電產生以后得到了廣泛的應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發展緩慢。尤其是直流無刷電機一直無法投入商業運營，伴隨著電子技術的日新月異，直至近幾年才慢慢投入商業運營，就其實質來說依然屬于交流電機范疇。

無刷電機誕生不久，人們就發明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構簡單，生產加工容易，維修方便，容易控制；直流電機還具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，所以一經問世就得到了廣泛應用。

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2、直流有刷電機響應速度快，起動扭矩大

直流有刷電機起動響應速度快，起動扭矩大，變速平穩，速度從零到最大幾乎感覺不到振動，起動時可帶動更大的負荷。無刷電機起動電阻大（感抗），所以功率因素小，起動扭矩相對較小，起動時有嗡嗡聲，并伴隨著強烈震動，起動時帶動負荷較小。

3、直流有刷電機運行平穩，起、制動效果好

有刷電機是通過調壓調速，所以起動和制動平穩，恒速運行時也平穩。無刷電機通常是數字變頻控制，先將交流變成直流，直流再變成交流，通過頻率變化控制轉速，所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩，振動大，只有在速度恒定時才會平穩。

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4、直流有刷電機控制精度高

直流有刷電機通常和減速箱、譯碼器一起使用，使的電機的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達到0.01毫米，幾乎可以讓運動部件停在任何想要的地方。所有精密機床都是采用直流電機控制精度。無刷電機由于在啟動和制動時不平穩，所以運動部件每次都會停到不同的位置上，必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

5、直流有刷電機使用成本低，維修方便

由于直流有刷電機結構簡單，生產成本低，生產廠家多，技術比較成熟，所以應用也比較廣泛，比如工廠、加工機床、精密儀器等，如果電機故障，只需更換碳刷即可，每個碳刷只需要幾元，非常便宜。無刷電機技術不成熟，價格較高，應用范圍有限，主要應在恒速設備上，比如變頻空調、冰箱等，無刷電機損壞只能更換。

6、無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。 　

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7、噪音低，運轉順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優點對于模型運行穩定性是一個巨大的支持。

8、壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。

無刷電機控制原理

電機驅動控制就是控制電機的轉動或者停止，以及轉動的速度。電機驅動控制部分也叫做電子調速器，簡稱電調，英文electronic speed controller（ESC）。電調對應使用的電機不同，分無刷電調和有刷電調。

有刷電機的永磁體是固定不動的，線圈繞在轉子上，通過一個電刷跟換相器接觸間斷來改變磁場方向來保持轉子持續轉動。無刷電機，顧名思義，這種電機是沒有所謂的電刷和換相器的，他的轉子是永磁體，而線圈是固定不動的，直接接到外部電源，問題就來了，線圈磁場方向怎么改變呢？事實上，無刷電機外部還需要一個電子調速器，這個調速器說白了就是一個電機驅動，它隨時都在改變著固定線圈內部電流的方向，保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥，持續轉動得以延續。

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刷電機工作可以不需要電調，直接把電供給電機就能夠工作，但是這樣無法控制電機的轉速。無刷電機工作必須要有電調，否則是不能轉動的。必須通過無刷電調將直流電轉化為三相交流電，輸給無刷電機才能轉動。

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最早的電調可不是像現在的電調一樣，最早全是有刷電調，說道這你可能要問了，什么是有刷電調，和現在的無刷電調有什么區別。事實上這差別呀可大了去了，有刷電調和無刷電調都是根據電機來說的，現在電機的轉子，就是能轉動的部分全是磁鐵塊，線圈是定子不轉動的，因為這中間沒有碳刷，這就是無刷電機。而有刷電機呢，顧名思義就是有碳刷，所以就是有刷電機，像我們平常小孩子玩的一二十塊錢的遙控車用的電機就是有刷電機。電調就是根據這兩種電機而命名的有刷電調和無刷電調。從專業的角度來講呢就是有刷電調就是輸出時直流電，無刷電調輸出是三相交流電。直流電就是我們電池里存儲的電，有正負極之分，我們家用220V的，用于手機充電器或者電腦的電源都是交流電。交流電就是帶有一定的頻率，通俗講就是一根線上正負、正負的來回交換著；直流電就是正極是正極，負極是負極。交流直流弄清楚了，那么什么又是“三相電”呢？理論講三相交流電是電的一種傳輸形式，簡稱三相電，是由3個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流電勢組成的電源。通俗的講，就是我們家用的三項交流電，除了電壓、頻率、驅動角不同，其他都一樣，現在對于三相電和直流電都了解了吧。

無刷電調，輸入的是直流電，通過一個濾波電容穩定電壓。然后分成倆兩路，一路是電調的BEC使用，BEC是給接收機與電調自身單片機供電使用的，輸出至接收機的電源線就是信號線上的紅線和黑線，另一路是介入MOS管使用，在這里，電調上電，單片機開始啟動，驅動MOS管震動，使電機發出滴滴滴的聲音。啟動后待命，有些電調帶有油門校準功能，在進入待命前會監測油門位置是在高還是低還是中間，高的話進入電調行程校準，中間的話開始發出報警信號，電機會滴滴的響，低的話會進入正常工作狀態。一切準備就緒后，電調內的單片機會根據PWM信號線上的信號決定輸出電壓的大小和頻率的高低以及驅動方向和進角多少來驅動電機的轉速，轉向。這就是無刷電調原理。在驅動電機運轉的時候，電調內共有3組MOS管工作，每組2個極，一個控制正極輸出，一個控制負極輸出，當正極輸出時，負極不輸出，負極輸出時，正極不輸出，這樣子也就形成了交流電，同樣，三組都是這樣工作的，它們的頻率是8000HZ。講到這，無刷電調也相當于一個工廠里電機上使用的變頻器或者調速器。

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電調的輸入是直流，通常由鋰電池來供電。輸出是三相交流，可以直接驅動電機。另外航模無刷電子調速器還有三根信號輸入線，輸入PWM信號，用于控制電機的轉速。對于航模，尤其是四軸飛行器，由于其特殊性，需要專門的航模電調。

那么為什么在四軸飛行器上需要專門的電調呢，其有什么特別的地方？四軸飛行器有四個槳，兩兩相對呈十字交叉結構。在槳的轉向上分正轉和反轉，這樣可抵消單個槳葉旋轉引起的自旋問題。每個槳的直徑很小，四個槳轉動時的離心力是分散的。不像直機的槳，只有一個能產生集中的離心力形成陀螺性質的慣性離心力，保持機身不容易很快的側翻掉。所以通常用到的舵機控制信號更新頻率很低。

四軸為了能夠快速反應，以應對姿態變化引起的飄移，需要高反應速度的電調，常規PPM電調的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這種控制所需要的速度，且PPM電調MCU內置PID穩速控制，能對常規航模提供順滑的轉速變化特性，用在四軸上就不合適了，四軸需要的是快速反應的電機轉速變化。用高速專用電調，IIC總線接口傳送控制信號，可達到每秒幾百上千次的電機轉速變化，在四軸飛行時，姿態時刻能夠保持穩定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的步进电机、伺服电机、舵机、无刷电机、有刷电机区别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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