2.3.1 电机的基本种类
电机的基本种类如下图所示：
2.3.2 直流电机
（1）有刷电机
所有电机都是由定子和转子组成，在直流电机中，为了让转子转起来，需要不断改变电流的方向，否则转子只能转半圈，这点就像自行车脚踏板。所以直流电机需要转向器。广义的直流电机包括有刷电机和无刷电机。
有刷电机又称直流电机或碳刷电机，常说的直流电机就是指有刷直流电机，它采用机械转向，外部磁极不动内部线圈（电枢）动，转向器和转子线圈一起旋转，电刷和磁铁都不动，于是转向器和电刷摩擦，完成电流方向的切换。
有刷电机缺点：①机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短；②可靠性差、故障多，需要经常维护；③由于换向器存在，限制了转子惯量，限制了最高转速，影响了动态性能。
有刷电机优点：扭力高、结构简单容易维护，便宜。
（2）无刷电机
无刷电机在某些领域也称直流变频电机（BLDC），它采用电子换向（霍尔传感器），线圈（电枢）不打磁极动，此时永磁铁可以在线圈外部也可以在线圈内部，于是有了外转子无刷电机和内转子无刷电机之分。无刷电机构造与永磁同步电机相同。
不过，单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷控制器，也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器（也就是电调）。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是方波，另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲师交流伺服电动机的一种。
无刷电机的运转方式不同，可以分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。内转子都是三相的，价格较贵，外转子通常使用的是单相的，价格亲民。
无刷电机的优点：具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点。
无刷电动机缺点：价格高昂，不好维护。
无刷直流电机霍尔转向
（3）调速原理
直流电机的调速：所谓调速，即通过调节电机转速获得所需扭矩。
直流（有刷）电机通过调节电压、串联电阻、改变励磁都可以调速，但是实际以调节电压最为方便也最为常用，目前主要使用PWM调速，PWM其实就是通过高速的开关来实现直流的调压，一个周期内，开的时间越长，平均电压就越高，关的时间长，平均电压就低，调起来很方便，只要开关速度够快，电网的谐波就少，且电流更为连续。但是电刷和转向器长期磨损，同时在换向的时候有巨大的电流变化，非常容易产生火花，换向器和电刷限制了直流电动机的容量和速度，使得直流电动机的调速遇到了瓶颈。
对于无刷直流电机，调速的时候表面上只控制了输入电压，但电机的自控变频调速系统（无刷直流电机本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置，使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速装置的换相时刻）自动根据变压控制了频率，用起来和直流（有刷）电机几乎一样，非常方便。由于转子采用永磁体，不需要专门的励磁绕组，在同等容量的情况下，电机体积更小，重量更轻，效率更高，结构更紧凑，运行更可靠，动态性能更好，在电动汽车的驱动等方面获得了广泛的应用。
2.3.3 三相交流电机
交流电机分为同步电机和异步电机，同步电机多用于发电机，异步电机多用于电动机。
（1）异步电机
异步电机结构简单，转子为闭合线圈，比如鼠笼式。转子线圈切割旋转磁场，产生感应电动势，进而产生感应电流，最后产生旋转磁场，这样转子就变成了一个电磁铁，将跟随定子磁场旋转，所以转子的转速必然＜定子的旋转磁场，这样才能切割磁感线。即转子的异步转速＜同步转速，转子与定子磁场存在速度差，所以称之为异步电机。
（2）同步电机
如果让转子的速度=定子磁场的旋转速度，就成了同步电机，此时就需要把定子变成一个电磁铁或永磁铁，即给定子通电，此时不需要再切割磁感线就能旋转，旋转速度与磁场旋转速度相同，即形成同步电机。
同步电机转子结构比异步电机复杂，价格高，在生产生活中应用不如异步电机广泛，主要用作发电机上，现在火电站、水电站、汽轮机、水轮机基本都是同步电机。
（3）异步电机的调整
异步电机的调速：理论上异步电动机控制交流电频率、电压，或者转子的电阻、电机的磁极分布都可以调速，但实际上实现无级调速用调节频率和电压的方法实现。由于调压范围不大，一般只能用在调速要求不高的场合，应用并不广泛。
变频调速：变频调速的全称是变压变频调速（VVVF），也就是在改变频率的时候改变电压，这样异步电动机的调速范围就足够大了。变频器可以分为两大类：交—交变频和交—直—交变频。
交—交变频：将交流电直接通过电力电子器件变换为另一个频率的交流电，最高输出频率不能超过输入频率的一半，所以一般只用在低转速，大容量的系统中，可以省去庞大的齿轮减速箱。
交—直—交变频：将交流电先整流变成直流电，在通过逆变器变成可控频率和电压的交流，配合PWM技术，这种变频器可以实现大范围的变压变频。
（4）同步电机的调速
同步电机的调速：同步电机没有转差率，在结构确定的情况下，控制电压不能改变转速，所以在变频器出现之前，同步电动机是完全不能调速的。变频器的出现让交流同步电动机也有了巨大的调速范围，因其转子也有独立励磁（永磁体或者电励磁），其调速范围比异步电动机更宽，同步电动机焕发了新的生机。
同步电动机变压变频调速系统可分为他控变频调速和自控变频调速。对于他控变频调速，和异步电动机的变频调速类似，也可以根据其数学模型采用SVPWM等控制方式来实现控制，其性能还要优于普通交流异步电动机，
自控变频同步电动机在发展过程中曾经有多种名字，比如无换向器电机，当采用永磁体且输入三相正弦波时，可以成为正弦波永磁同步电动机；而如果输入方波，那么就可以称为梯形波永磁同步电动机，没错，这就是类似于之前说的无刷直流机（BLDM），大家是不是感觉绕了个大圈又转回去了，但是你现在对于变频器变速的理解一定更深一步了，所以无刷直流电机是采用直流输入，但是使用了同步电机的变频技术（结构与永磁同步电机相同），在Model3上就采用了直流无刷电机。
2.3.4 单相交流异步电机
（1）单相交流穿励电机（有刷）
单相交流串励电动机，俗称串励电机或者通用电机，电枢绕组和励磁绕组串联在一起工作。单相串励电动机又叫作交直流两用串励电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流电源工作。
单相串励电动机优点：转速高，起动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转，适用电压范围很广，可以用调压的方法来调速，简单且易于实现。(www.xing528.com)
（2）单相交流鼠笼式电机（无刷）
单相电流通过电枢绕组时产生的是脉振磁场而不是旋转磁场，所以单相异步电动机不能自动起动。为了解决起动问题，单相交流供电的异步电动机实际上往往做成两相的。主绕组由单相电源直接供电，副绕组在空间上与主绕组差90°（电角度，等于机械角度被电动机磁极对数除）。副绕组串联电容或者电阻后，使合成磁场成椭圆形旋转磁场，甚至可能接近于圆形旋转磁场。电动机因此获得起动转矩。
2.3.5 步进电机
（1）开环步进电机
（开环）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转量是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，即驱动器，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流。
步进电机虽然是直流电流供电，但不能理解为直流电机，直流电机是将直流电能转化为机械能的动力电机，而步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机。
（开环）步进电机与伺服电机有7不同：
①控制精度——伺服电机控制精度可以根据编码器设置，精度更高；
②低频特性——步进电机低频容易振动，伺服电机不会；
③矩频特性——步进电机随转速提高力矩变小，所以其最高工作转速一般在1000r/min内，伺服电机在额定转速内（一般3000r/min）内都能输出额定力矩，在额定转速上为恒功率输出，最高转速可达5000r/min；
④过载能力——步进电机不能过载，伺服电机最大力矩可过载3倍；
⑤运行性能——步进电机为开环控制，伺服电机为闭环控制；
⑥速度响应——步进电机启动时间为0.15～0.5s，伺服电机0.05～0.1s，最快可0.01s达到额定3000r/min；
⑦效率指标——步进电机效率约为60%，伺服电机约80%。
（2）闭环步进电机
闭环步进电机：除了开环步进电机，还有在电机尾部添加了编码器，可以实现闭环控制的步进电机。
步进电机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。没有失步现象的伺服系统。
闭环步进电动机的优势：
①高速响应，相对于伺服电机，闭环步进对定位指令具有非常强的跟随性，因此定位时间非常短。在频繁启停的应用中，可显著缩短定位时间。
②比普通伺服产生更大的扭矩。弥补普通步进系统失步、低速振动不足。
③在100%负载情况下也可产生高扭矩，无失步运行，无需像普通步进系统一样考虑扭矩损失等问题。
④应用闭环驱动、效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定更光滑的转速。
⑤步进电机停止时会完全静止，无普通伺服的微振现象。需要低成本、高精度的场合，可取代通用伺服系统的应用。
2.3.6 伺服电机
（1）普通伺服电机
伺服电机（servo motor）也叫执行电机，可使控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
与步进电机原理结构不同的是，伺服电机由于把控制电路放到了电机之外，里面的电机部分就是标准的直流电机或交流感应电机。
伺服电机靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度。电机每旋转一个角度，编码器都会发出对应数量的反馈脉冲，反馈脉冲和伺服驱动器接收的脉冲形成闭环控制，这样伺服驱动器就能够很精确地控制电机的转动，从而实现精确的定位。
伺服电机的控制：一般工业用的伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环，分别能反馈电机运行的角加速度、角速度和旋转位置。芯片通过三者的反馈控制电机各相的驱动电流，实现电机的速度和位置都准确按照预定运行。
步进和伺服电机的原始扭矩不够用的情况下，往往需要配合减速机进行工作，可以使用减速齿轮组或行星减速器。
（2）舵机
舵机（servo）是一种俗称，是一类直流伺服电机，最先是用于小型航模，现在用于小型机器人关节。
从结构来分析，舵机包括一个小型直流电机，加上传感器、控制芯片、减速齿轮组，装进一体化外壳。能够通过熟人信号（一般是PWM信号，也有的是数字信号）控制旋转角度。
由于是简化版，原本伺服电机的三环控制被简化成了一环，即只检测位置环。廉价的方案就是一个电位器，通过电阻来检测，高级的方案则会用到霍尔传感器，或者光栅编码器。
一般舵机价格低廉，结构紧凑，但精度很低，位置镇定能力较差，能满足低端需求。
随着消费级小型机器人在近两年的热潮，小型轻量的舵机一下子成了最合适的关节元件。但机器人关节对性能的要求远高于舵机，而作为商业产品比DIY玩家对舵机质量要求高得多。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
