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为您的项目选择合适的电机——直流电机、步进

从安全摄像头和风扇，到 DVD 播放器，再到手机的振动，马达几乎无处不在。由于需要考虑的变量如此之多，因此许多人发现难以为其应用选择合适的电机并错过过程中的某些重要参数也就不足为奇了。因此，我们整理了一份指南来帮助您进行选择过程，以便您可以选择最适合您的应用的电机。

事不宜迟，让我们直接进入为您的项目选择合适的电机——直流电机、步进电机和伺服电机！

电机类型

我们将研究 3 种常见电机——直流电机、步进电机和伺服电机、它们的应用以及它们的优缺点。

1. 有刷和无刷直流电机

直流电机是一种电磁装置，它利用磁场和导体的相互作用将电能转换为机械能以进行旋转。市场上有许多类型的直流电机。有刷和无刷电机是最常见的直流电机。

有刷直流电机

有刷直流电机问世已久，其使用可追溯到1830年代。它们几乎可以在任何地方找到。在玩具、家用电器、电脑散热风扇中，应有尽有。作为构造和控制最简单的电机之一，难怪有刷直流电机仍然是专业人士和业余爱好者的最爱。

为什么叫有刷电机？电流是通过两个固定的金属刷提供的，这些金属刷与环上的不同部分接触。当换向器旋转时，电刷与下一段接触，从而使电机继续旋转。可以想象，这会产生摩擦，从而产生热量甚至火花。

工作准则：

直流电机是如何运动的？直流电机由连接到环段或换向器的线圈组成。线圈被一对磁铁或定子包围，定子将线圈包围在电场中。当电流通过磁场中的导线时，导线会受到力，因此电机中的线圈会受到推动线圈并开始旋转的力。上面的动图说明了有刷电机的工作原理。

线圈在到达右侧区域时会受到向下的力，当到达左侧区域时会受到向上的力。通过在换向器的不同段上添加多个线圈，可以保持稳定旋转。只需通过反转电机触点上的极性即可反转旋转方向。

优点和局限性：

	好处
控制简单	控制有刷直流电机就像一个开关一样简单。只需施加电压即可开始驱动它们。当电压降低时它们会减慢速度，而当电压反转时它们会向另一个方向旋转。
低速扭矩大	在低速下实现高扭矩。
合理高效	有刷直流电机的效率约为 75-80%。

	限制
噪音	除了摩擦部件发出的可闻噪声外，电刷越过换向器间隙的区域产生的强烈火花也会产生电磁噪声。这可能会对系统的其他部分造成干扰。
持续维护	由于持续移动接触，刷子很容易磨损，需要不断维护。由于刷子加热，速度可能会受到限制。

应用：

如今，有些人可能会声称有刷直流电机不再适用，因为无刷电机已将其从许多应用中取代。然而，事实并非如此。

对于需要在电机的整个速度范围内保持恒定扭矩的许多工业应用，有刷电机仍然是最佳解决方案。用途包括手机振动器、玩具、手持风扇、无绳电钻和车窗等。

根据您的应用需求，有刷直流电机可能是更合适的选择。如果您主要关注简单的控制方案和低成本，请考虑使用有刷直流电机。

无刷直流电机

无刷直流电机在机械上比有刷电机简单。由于换向是通过电气方式实现的，因此消除了有刷直流电机的火花和噪音，使电流能够安静地切换，从而使电机安静地驱动。这些安静的电机可用于计算机风扇、磁盘驱动器、无人机、电动汽车和高精度伺服机构。

工作准则：

无刷直流电机只有一个运动部件——转子，它消除了有刷电机中电刷带来的复杂性。而且与有刷电机不同的是，转子由一圈永磁体组成，而线圈是静止的。这种设置消除了对刷子的需要。

困难的部分在于控制流过线圈的电流的极性并使其与转子的速度保持同步。这可以通过测量反电动势或使用霍尔效应传感器直接测量磁铁的位置来实现。

因此，尽管与有刷直流电机相比，无刷直流电机具有众多优势，但通常更昂贵且更复杂。

优点和局限性：

	好处
安静的	由于不使用电刷，因此与有刷电机相比，它们产生的电噪声更少。因此，在需要避免电噪声的应用中，无刷直流电机通常是首选。
高效的	无刷直流电机比有刷电机更高效，因为它们能够持续实现最大旋转力/扭矩。相比之下，有刷电机只会在旋转过程中的某些点达到最大扭矩。有刷电机要获得与无刷电机相同的扭矩，需要更大的磁铁。
需要较少的维护	由于无需更换电刷，无刷直流电机具有很高的耐用性。

	限制
控制器	一些无刷电机难以控制，需要专门的调节器

应用：

由于其效率和耐用性，无刷直流电机在很大程度上取代了有刷电机。它们在连续运行的设备（如洗衣机、空调）以及消费电子产品（如计算机风扇和磁盘驱动器）中得到广泛应用。它们被用于无人机，因为每个转子的转速都可以精确控制。在不久的将来，我们绝对可以期待无刷电机的更多应用！

2. 步进电机

步进电机是以缓慢、精确和离散的步骤移动的电机。由于其精确的位置控制，他们发现了无数的应用，例如桌面打印机、安全摄像头和 CNC 铣床。

工作准则：

步进电机有一个控制器系统，该系统将电脉冲发送到驱动器，驱动器解释这些脉冲并向电机发送成比例的电压。然后电机以精确且固定的角度增量移动，因此得名“步进器”。步进电机的工作原理与无刷直流电机类似，不同之处在于它以更小的步幅移动。它唯一的运动部件也是包含磁铁的转子。每个线圈的极性由交流电控制。随着极性的变化，每个线圈都会受到推或拉的影响，从而移动电机。

它们可以通过常用的廉价微控制器进行控制。然而，步进电机是一种耗电的设备，不断吸收最大电流。它采取的小步骤也意味着它的最高速度较低，并且在使用高负载时可能会跳过步骤。

优点和局限性：

	好处
精准定位	步进电机的极数很高，通常为 50 到 100，并且无需位置编码器的帮助即可在其多个极之间准确移动。当它们以精确的步骤移动时，它们在需要精确定位的应用中表现出色，例如 3D 打印机、CNC、相机平台和 X、Y 绘图仪。
精确的速度控制	精确的运动增量可实现出色的速度控制，使其成为过程自动化和机器人技术的理想选择。
低速下优异的扭矩特性	步进电机在低速（小于 2000 rpm）时具有最大扭矩，使其适用于需要低速高精度的应用。普通直流电机和伺服电机在低速时扭矩不大。
保持位置的出色扭矩	适用于高保持扭矩的应用。
易于控制	步进电机可以通过微控制器轻松控制，例如 Arduino 开发板上的 ATmega 芯片。

	限制
噪音	众所周知，步进电机在运行过程中会产生一些噪音。因此，如果您的设备需要安静、适应大范围的速度和扭矩并保持合理的效率，那么请考虑使用直流电机。但是如果您的运动控制应用需要快速构建，不需要高效，并且可以接受一点点噪音，那么步进电机可能更合适。
有限的高速扭矩	通常，步进电机在高速时的扭矩小于低速时的扭矩。一些步进器可以优化以在高速下获得更好的扭矩，但驱动器必须与其配对才能实现该性能。
低效率	与直流电机不同，步进电机的电流消耗与负载无关，它们不断地汲取最大电流。因此，它们往往会变热。
可能会跳过步骤	由于步进电机的最高速度较低，因此它们可能会在高负载下跳过步骤。

应用：

步进电机的用途多种多样，可以在无数常见的机器和设备中找到。它们在需要精确定位、低速扭矩和速度控制的应用中非常有用。应用包括 C NC 铣床、医疗成像机械、打印机、汽车后视镜倾斜、安全摄像头、机器人技术，以及最近的3D 打印机。

3.伺服电机

伺服电机是能够提供非常精确的运动控制的电机。伺服电机系统中的反馈感测实际速度或位置与所需速度或位置之间的差异，以便控制器可以调整输出以校正与目标位置的任何漂移。位置旋转和连续旋转是伺服电机的两种基本类型

工作准则：

伺服电机由直流电机组成。直流电机以高转速和非常低的扭矩旋转。然而，在伺服电机内部，有一个齿轮排列，可以将内部直流电机的高速减慢，同时增加扭矩。因此，伺服的齿轮设计转速要慢得多，但扭矩更大。廉价伺服系统中的齿轮通常由塑料制成，以保持轻便并降低成本。但是对于旨在为更重的工作提供更大扭矩的伺服电机，齿轮由金属制成。

伺服系统在最终齿轮上包含一个位置传感器或编码器。基于闭环控制，微控制器将转子的实际位置与所需位置进行比较，并产生一个误差信号。然后使用该误差信号生成适当的控制信号以将转子移动到最终位置。更复杂的伺服系统还可以测量速度以提供更精确和更平滑的运动。

位置旋转伺服——广泛用于需要适度精确定位的小型项目，这是最常见和廉价的伺服电机类型。该伺服电机在 180 度范围内旋转。它们不提供速度控制或连续旋转。它在齿轮机构中内置了物理挡块，以防止转动超出这些限制以保护旋转传感器。

连续旋转舵机——与位置旋转舵机不同，连续旋转舵机可以顺时针或逆时针连续旋转，根据命令信号以不同的速度旋转。

优点和局限性：

	好处
高速下优异的扭矩特性	在速度大于 2000 rpm 时，伺服电机具有高扭矩，最适合涉及动态负载变化的高速和高扭矩应用。伺服电机可以产生更高的峰值扭矩，因为它们能够以更高的速度运行。这是因为伺服电机在恒定闭环反馈机制下运行，而不是步进电机的开环系统，这使其能够达到更高的速度并产生更高的峰值扭矩。
种类	它们有许多不同的尺寸和扭矩额定值。
物美价廉	小型伺服器只需几美元。许多伺服电机都有由塑料制成的齿轮，以保持轻便，同时又便宜。

	限制
有限的运动范围	位置旋转伺服系统被限制为 180 度的运动。
抖动	伺服系统中的反馈机制将不断尝试纠正与所需位置的任何漂移。这种不断的调整会导致在试图保持稳定姿势时抽搐。因此，如果这对您的应用造成问题，则可以考虑使用步进电机。

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