1.1. 电机的简介

电机是一种可以在电能和机（jī）械（xiè）能（néng）的（de）之（zhī）间相互转换的（de）设备，其中发电机是将机械能转换为电能， 电动机（jī）是将电能（néng）转换为机械能。发电机的主要用于产生电能（néng），用途单一， 但是电动机主要（yào）用于产生机械（xiè）能，用途极其广泛。

1.2. 电机的分（fèn）类

电机种类多种多（duō）样，自然分类也是多种多样的，可以按照工作电源种类划分、按照（zhào）结（jié）构和工作原理划分（fèn）、 按照启（qǐ）动与运（yùn）行方式划分、按照（zhào）用途划分、按照运转速（sù）度划（huá）分等等。可以（yǐ）说是分类五花八（bā）门，但是在实际应用中， 工程师（shī）会根据电机的特性（xìng）来分，例（lì）如（rú）：对速（sù）度（dù）要求（qiú）高的会选择直流电机，对（duì）精度要求高的会（huì）选择步进电机等等（děng）； 接下来我（wǒ）们将会从众（zhòng）多（duō）类型中的电机（jī）中选（xuǎn）择几（jǐ）个（gè）具有代表性、普遍性的（de）常（cháng）用电（diàn）机（jī）。

1.2.1. 直流电机

在直流电机中（zhōng）还分为普通的直（zhí）流电机（jī）、直流（liú）减速电机，有刷和无刷，共分为：

直流有刷电机（jī）

直（zhí）流有刷减（jiǎn）速（sù）电（diàn）机（jī）

直流无刷电机

直流（liú）无刷减速电机

这四种（zhǒng）电机。 从（cóng）字面意思上就可以想象的到，普通的（de）直流（liú）电机和直流减速电机相差的只有“减速”，它们在构造上相（xiàng）差的是（shì）一个减速齿轮组。 普通的直（zhí）流电（diàn）机当空载时，电（diàn）机的转速由电（diàn）压决定;直流减速电（diàn）机的转（zhuǎn）速由（yóu）齿轮组和电压决定； 齿轮组的作（zuò）用是，提供（gòng）较低的转（zhuǎn）速（sù），较（jiào）大的力（lì）矩；同时不同的减速比会提供不同的转速和力矩。这样就大大（dà）提高了（le）减速电机的使用率。

图 1-1 减速电（diàn）机齿轮箱(图片来自网络（luò）)

接下（xià）来就是有刷与无刷的区别：有刷和无刷的字面意思是（shì）有无碳刷；有刷电机电机（jī）工（gōng）作（zuò）时需（xū）要（yào）线（xiàn）圈和（hé）换向器旋转， 磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的（de）交替变化是随电机转动的（de）换相器和电（diàn）刷来完（wán）成的。 无刷直流电动（dòng）机是采（cǎi）用半导体开关器件（jiàn）来实（shí）现电（diàn）子换向的，使用电（diàn）子（zǐ）开关器件代（dài）替传统的（de）接触式（shì）换（huàn）向器和电刷。

图 1-2 左侧（cè）为有刷电机（jī）、右（yòu）侧为无刷电机(图片来自网络)

1.2.2. 步（bù）进电（diàn）机（jī）

步进电机是一种可以将脉（mò）冲信号（hào）转（zhuǎn）换为（wéi）角位移或线（xiàn）位（wèi）移（yí）的开（kāi）环控制电机，在空载低频的（de）情（qíng）况（kuàng）下，一个脉冲就是一步， 可（kě）以精准的控制旋转角度;步进（jìn）电机按照构造方式分类，分为（wéi）三类分别是反（fǎn）应（yīng）式、永磁式和混合式（shì）。

按照定子（zǐ）上绕组可分（fèn）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（diàn）机，约占97%上的市（shì）场份（fèn）额， 基本上是占据了（le）整个市场（chǎng）；所以后面也会主要针对两相混合式步进（jìn）电机进行讲解（jiě）。你一定听过42步进电机， 那么“42”指的是什么呢（ne）？下面这张图会告诉（sù）你“42”到底是什（shí）么意思。

图 1-3 42步进（jìn）电机（jī）尺寸（cùn）图

42步（bù）进（jìn）电机是（shì）指步进的尺（chǐ）寸，混合式步进电（diàn）机（jī）一般都是正方形，外框尺（chǐ）寸为42mm*42mm； 除42之外还有（yǒu）57步进电机，86步进电机，也都是因外框尺寸而（ér）得名的。

1.2.3. 伺服电（diàn）机（jī）

什么叫伺服电机？伺服电机长（zhǎng）什（shí）么样子？“伺服”一词是来源（yuán）于（yú）希腊语“奴隶”的意思， 那么伺服电机也可以（yǐ）理解（jiě）为（wéi）绝（jué）对服从控制信号（hào）指挥（huī）电（diàn）机，所以伺服电机是（shì）指（zhǐ）在伺服系统中被（bèi）控制的电（diàn）机。 如果单指一个电机的（de）话，那只能算一个被控的机械（xiè）元件，但是加上闭（bì）环（huán）控制（zhì）系统就可以称（chēng）之为伺服系统中的电机。

伺（sì）服（fú）电机分为直流和交流伺服（fú）电动机两大类，其主要特点（diǎn）是，当信号电（diàn）压为（wéi）零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速（sù）下降。

直流伺服电机（jī）特性

机械特性 在输入的电（diàn）枢电压保持不变时，电机的转速（sù）随（suí）电磁转矩变化而变化的规律

调节特性 直（zhí）流电机在一定的电（diàn）磁（cí）转矩（或负载转矩）下电机的稳态转速随（suí）电枢（shū）的控制（zhì）电（diàn）压变化而（ér）变（biàn）化（huà）

动态特（tè）性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存（cún）在一个过渡过程，这就（jiù）是直流电（diàn）机（jī）的动（dòng）态特性

交流伺服电机特性

无电刷和换向（xiàng）器，因此工作可靠，对维护和保养要求低

定子（zǐ）绕组散（sàn）热（rè）比（bǐ）较方便

惯（guàn）量小，易于提高系统的快速性

适（shì）应于高速大力（lì）矩工作状态（tài）

1.2.4. 舵机

舵机是一种常见的伺服电机，由小型直流电机、控制电（diàn）路板、电位（wèi）计和齿轮组（zǔ）构成，舵机（jī）的用（yòng）途广（guǎng）泛； 舵机可按照信号类型划（huá）分、按照齿（chǐ）轮划（huá）分、按照用途划分；舵机分90°、180°、270°和360°舵机，其中（zhōng）180°的舵机（jī）最为常见（jiàn）。

按照信号类型划分为（wéi） 模拟信号舵机（jī）和数字信号舵机

模拟（nǐ）舵机（jī）：无MCU微（wēi）控制器，电路为模拟电路（lù），同样的舵（duò）机之间会有性能差异

数字舵机：有MCU控制器，一般（bān）内（nèi）部采用（yòng）算法优化，性（xìng）能比模（mó）拟舵机好

按（àn）照齿（chǐ）轮划（huá）分为 金属齿轮舵机和塑料齿轮舵机

金（jīn）属齿轮舵机：适用于大扭（niǔ）力和高速场合

塑（sù）料齿轮舵机：成本低适用于中低扭矩（jǔ）场合