电机是一种电能和机械能相互转换的电磁装置，主要分为电动机（电能→机械能）和发电机（机械能→电能），下面介绍下应用广泛的电动机，需要重点考虑电机的尺寸，功率，电压，转速，扭矩，效率，成本等参数，根据这些参数再选择合适的电机类型。

电机扭矩：指电动机的输出扭矩，常用单位为N·m（牛·米）。电机扭矩反映了电机转动的力量大小，与电机的功率和转速密切相关。

电机扭矩公式：T=9550P/n，P是功率（kW），n是转速（转/分）；另一个计算公式T=P/（2πn/60），P是功率（W），n是转速（转/分）；从力和力臂角度T=F*r，单位分别是N（牛）和m（米）。

电机输出轴的转速，经过齿轮箱设计减速比，可设计出我们需要的实际转速和扭矩。

下表是常规需求的电机重点参数，可作为选型参考。

	有刷电机	步进电机	舵机	无刷电机
旋转方法	电刷和换向器的滑动接触式整流机构，切换线圈电流	驱动电路按决定线圈绕组各相（2相、3相、5相）的顺序励磁	看内部舵机使用的是有刷还是无刷电机，常见的使用有刷电机	磁极位置传感器和MOS管控制线圈的选择导通
驱动电路	供电就转，正反转交换电源正负极就能实现	需要	需要	需要
扭矩	启动扭矩大，扭矩与线圈电流成正比	扭矩较大（尤其是低速时）	转速经减速箱后转速减小，输出扭矩增大	启动扭矩大，扭矩与线圈电流成正比（中高速扭矩较大）
旋转速度	与线圈施加电压成正比，速度随着负载扭矩的增加而下降	与输入脉冲频率成正比，在低速范围有失步区	实际看电机+减速齿轮后的输出速度减小，扭矩增大	与线圈施加电压成正比，速度随着负载扭矩的增加而下降
高速旋转	约<5000rpm	约<3000rpm	看实际电机	约<30000rpm
旋转寿命	电刷和换向器磨损，约<1500h	由轴承决定，约几万小时	看实际电机	>10000h
正转和反转方法	改变电机的极性电压	改变驱动电路励磁相顺序	看实际电机	改变驱动电路励磁相顺序
控制性	控制简单，可加速度反馈	可进行旋转速度和位置由指令脉冲决定的开环控制（存在失步问题）	驱动电机，电机旋转位置检测，闭环调控	恒速控制需要速度传感器的反馈
效率	约60~75%	约60~70%	看实际电机	约>90%
价格	约<10元	约<20元	约<100元	约<40元

一、有刷电机

其核心构造包括定子、转子和电刷，通过旋转磁场产生转动力矩，进而输出所需的动能。有刷电机的工作原理主要依赖于机械换向，其中磁极保持静止，而线圈则进行旋转。在电机运转时，线圈和换向器一同旋转，而磁钢与碳刷则保持不动。线圈电流方向的交替变化是由电机转动的换相器和电刷共同实现的。

直流电机的转速特性方程：n=（U-IR）/Ce*φ，转速可以通过调节电压U来改变。如下解析：

额定值U=240V时，n=2264.15-24.05T；

调压后U=159.34V时，n=1503.21-24.05T。

从这个数据来说电压降低后转速明显降低。电压电流得到调整，从而影响电极磁场强弱，实现变速目的。

1、硬件驱动IC电路：

这是驱动IC（SDC9150）的方案，芯片自带过流保护、短路保护低功耗待机模式，内部电路是逻辑芯片控制H桥的MOS管开关，一般这个芯片能支持稳定运行的电流<2.5A，最大的峰值OCP硬件保护电流可以调节Vref的参考电压，具体可看实际规格书中的设计规则，下面介绍电路中的设计原理。

1.通过控制输入PWMA和PWMB的输入信号到驱动IC IN1和IN2，使输出的OUT1和OUT2到有刷电机的电源可以高低切换，实现电机的正转和反转。

2.LSS U13.PIN7引脚外面接电流采样电路，可通过RC滤波后连接ADC读取电压值，通过R256的电阻值，将读到的ADC数转换为电压，再由I=U/R计算出电流，软件写入公式计算出工作电流。

3.Vref U13.PIN4引脚接参考电压，可由外面电路设计参数决定，这个电压影响驱动IC允许的最大峰值电流，Iocp=Vref/（AV*RS），AV取典型值10，RS是R256阻值，图中的参数为Iocp=1.65/（10*0.1）=1.65A。

2、MOS管驱动电路：

这是一个常规的NPN三极管搭配P MOS管控制有刷电机运行的分立器件电路，将Q22导通时U19 MOS管到达Vgs（th）开启阈值电压打开MOS管，输入电源导通到连接器J16接的有刷电机（输入电源应在电机的工作电压范围内）。

1.PWM输入控制占空比0~100%，使输入电源到电机的正极上，电机实际的电压有效值是输入电源*占空比，有效值越大电机转速越快。

2.R370是采样电阻，这里接到ADC接口读取ADC值，可计算转换为此处的电压值，再计算出电机的电流。软件能计算出电机的电流值，设定软件电流保护逻辑，不同电流值大小，持续时间有长短区别来控制PWM停止输出给电机断电。

3.MID OCP这里可接入硬件保护电路，因为硬件响应时间更短，在短路时产生20A+大电流时，需在us级时间内通过接入硬件保护将MID OCP处的电源拉低，将三极管关断来控制MOS管断开电机的电。

4.D22是续流二极管，是用来保护电机的。主要作用在于防止电机在停止转动之后，由于惯性作用产生反向电动势的电流反向流向电源，并对电路其他元件造成损坏，电机并联二极管这是常见的一种保护电路。

3、总结

优点：

有刷电机结构和控制简单、技术成熟稳定，扭矩大，运行平稳，成本低。

缺点：

寿命短，碳刷易磨损掉落，积碳使换向器短路损坏，换向时电刷和换向器摩擦产生火花，电磁干扰大，能量损耗大，效率一般在60~75%。转速通常<5000RPM（受换向能力制约）。

二、步进电机

步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、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时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”；在相同电流且相同扭矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。

步距角公式：步距角=360°/（轮子齿数*运行拍数），举例说明下，转子齿数是50，运行拍数是8，按照公式步距角=360°/（50*8）=0.9°，表示步进电机每运行一步，会转动0.72°。 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。

步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。下面这个是步进电机工作原理的动画视频。

1、照转子分类，有三种主要类型：反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）

反应式

定子上有绕组，绕组由软磁材料组成。其结构简单、成本低、步距角小，可达1.2度，但动态性能差，效率低、发热大，可靠性难以保证。

永磁式

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机度差，步距角大（一般为7.5度或15度）。

混合式

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有很多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

2、照定子绕组分类，可分为二相、三相和无相等系列

目前最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好；相数越多，步距角越小，控制精度越高，振动和噪音越小，多相电机低速时能提供更大的扭矩，成本和驱动电路更复杂。

该种电机的基本步距角为1.8度/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9度，配上细分驱动器后。其步距角可细分达256倍（0.007度/微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度的效果。

3、电路设计

下图是使用禾润HR4988的驱动IC，内部集成了译码器的微特步进电机驱动器，能使双极步进电机以全、半、1/4、1/8、1/16步进模式工作，输出能力达到32V/±2A，内部带过流、过热、欠压保护。

芯片内部编译器主要负责微控制器和驱动电路的信息交互。通过该编译器可产生DA信号，配合比较器辅助PWM锁存器修复衰减信号，并且该编译器能够产生逻辑电平控制逻辑控制器，逻辑控制器再配合电流调节器和N型MOS管驱动电压共同驱动两路全桥电路。下面详细介绍下图中的工作原理，左边U4芯片是MCU，右边U2芯片是步进电机驱动IC HR4988。

1. U2.PIN19 DIR是控制速度方向的

2. U2.PIN16 STEP信号上升沿触发有效，控制电机一个步进，可以设定脉冲的频率控制电机的转速；

3. U2.PIN2 EN使能输入，低有效，芯片内部控制工作；

4. U2.PIN14 SLEEP芯片休眠模式，低有效；恢复高电平延时1ms后芯片能正常工作；

5. U2.PIN12 RST复位输入，低有效使芯片进行复位；

6. U2.PIN4和5 CP1和CP2电荷泵用来生成一个高于VBB的电压，去驱动源DMOS的栅极；

7. U2.PIN9、10、11 对应的MS1、MS2、MS3微步进选择，不同的配置设定不同的步进角度，如下表所示：

举例说明：当设置为90度步距角2相4极电机时，转子在全步模式下每步旋转90度，半步模式每步旋转45度，1/4步模式旋转22.5度，以此类推往后的模式步距角更精细；

8. U2.PIN23和27 SENSE1和SENSE2是外接采样电阻做电流ADC的计算转化；

9. U2.PIN17 REF参考电压一般设置0.8V~3V，加上Rs采样电阻，可以设定芯片最大保护电流Itrip max=Vref/（8*Rs）；

10. U2.PIN1、PIN21、PIN24和PIN26是接步进电机的2相线圈的正负接头。

4、总结

步进电机被广泛应用在各个领域的产品，机器人的运动速度和方向，数控机床控制刀具移动，打印机的打印头的移动控制等产品中，下面总结下它的主要优点和缺点：

优点：

1.电机通过脉冲信号输入到电机进行控制，成本较低；

2.扭矩大，可带动大负载，精度高；

3.由于没有接触电刷而实现了更大的可靠性；

4.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围（转速低于无刷电机的上万RPM）；

缺点：

1.开环控制，有误差后不能纠正调回，一步的误差不会累积到下一步（技术上可增加位置检测来做闭环控制）；

2.步距角越小，精工精度越高，步进角度误差会越大；

3.转速偏低，若转速调高后电机发热，噪音增大；

4.由于步进电机是在不断地停止和启动之间进行控制，相比其他类型的电机效率相对较低；

5.负载需平稳，负载变化大时，控制电流脉冲会受到干扰导致运动不稳定，甚至出现步进失控现象；（增加屏蔽措施，电源功率足够稳定）

6.步进电机的工作原理是通过短时间的瞬间脉冲控制实现位置和速度的控制，长时间运转容易导致电机发热，甚至烧坏；

三、舵机

1、工作原理介绍

舵机（Servo Motor）是一种常用于控制角度位置的特殊直流电机，通过内部的电路和反馈控制系统，可以实现精确的角度位置控制。舵机通过接收控制信号来调整输出轴的角度位置，具有高精度、快速响应和可靠性的特点。它被广泛应用于模型、机器人、自动化设备等领域，在实现精确控制和定位方面发挥着重要作用。

舵机作为一种关键的机电一体化设备，最初在航模运动中被广泛应用，以精确控制飞行器的姿态。其核心功能在于通过接收信号并驱动执行机构，实现各种可操作动作。

舵机驱动控制可分为PWM，数字和模拟信号，PWM是通过改变控制信号的脉宽来控制舵机的角度，控制实现简单精度也较高，下面我们会重点介绍这种控制方式；数字信号控制使用串行通信协议（如UART、I2C、SPI等）将数字信号传输给舵机，并通过解析数字信号控制舵机的角度；模拟控制是通过改变输入信号的电压值来控制舵机的角度，典型的就是0V对应舵机最小角度，5V对应舵机的最大角度。下面视频是讲解PWM控制舵机的工作原理动画。

下面重点介绍常见的PWM控制，适用于精度和扭矩要求不高的消费电子产品，以下是舵机的主要组成部分和工作原理：

1. 组成部分：

• 舵盘：连接电机，是舵机的核心输出部件，负责实际的机械转动。

• 减速齿轮组：用于降低电机转速，提高扭矩输出，确保舵盘稳定转动。

• 位置反馈电位计（Potentiometer）：通常为5k类型，用于检测舵盘的实际位置，并将其转化为电信号反馈给控制系统。

• 直流电机：提供动力，根据控制信号改变旋转方向和速度。

• 控制电路板：处理信号输入，控制电机运行，并根据反馈调整电机参数。

2.工作流程：

舵机的控制方法多样，常见的包括以下几种：

脉冲宽度调制（PWM）控制：

• 控制电路板接收到外部的脉宽调制（PWM）信号，这种信号周期为20ms，脉冲宽度的变化范围为0.5ms-2.5ms，代表了舵盘从0度到180度的不同位置。

• PWM信号决定了电机的转动速度和角度，例如，当脉冲宽度为0.5ms时，电机转至0度，宽度为2.5ms时，转至180度，两者之间呈线性关系。

高电平0.5-2.5ms对应0-180度。（2.5%<占空比<12.5%）

设高电平时间为t，那对应的角度angle=(t-0.5)*180/(2.5-0.5)，（0.5<=t<=2.5）。这应该很好理解了。 举例如下：高电平t=0.5ms，带入公式，angle=0度。

• 电机转动时，通过减速齿轮组带动舵盘，同时位置反馈电位计同步转动，输出电压信号反馈给控制电路板。

• 控制电路板根据接收到的反馈信号，调整电机的转动方向和速度，使舵机准确到达预设的位置。

位置环控制：利用位置传感器反馈的信息，采用闭环反馈控制算法来实现舵机的精确位置控制。在位置环控制中，控制系统会根据目标位置和当前位置之间的差异，计算出一个控制信号，以调整输出轴的角度位置。这种方法能够提供更高的控制精度和稳定性。

速度环控制：除了位置控制外，舵机还可以进行速度控制。通过改变控制信号的斜率或脉冲频率，可以调节舵机转动的速度。这种控制方法常用于需要进行平滑转动的应用场景。

扭矩控制：一些高级舵机还支持扭矩控制功能。通过改变控制信号的电流大小，可以实现对舵机输出扭矩的调节。这种控制方法适用于需要对外部负载施加特定力矩的应用。

3.类型和特性：

• 舵机种类繁多，包括电机类型（有刷与无刷）、齿轮材质（塑料与金属）、输出轴形式（滑动与滚动）、壳体材料（塑料与铝合金）、速度（快速与慢速）以及尺寸（大、中、小）等，这些因素决定了舵机的不同性能和适用场景。

• 微舵机，如名称所示，体积小，输出力矩较小，适合轻量化应用；而大舵机则具有更大的扭矩和稳定性，适用于负载较大的场合。

4.控制精度：

使用8位 AT89C52 MCU，其数据分辨率为 2^8=256，那么经过舵机极限参数可将其划分为250份，在0.5~2.5ms的宽度为2ms=2000us；2000us/250=8us，则PWM的控制精度为8us，以8us为单位递增控制舵机转动与定位，舵机可以转动180°，那么180°/250=0.72°，舵机控制精度为0.72°。

5.死区(us)：

1）使舵机转动的最小脉冲宽度，低于该参数，舵机不转动；

2）停止角度的精确度，该数值越小，控制精度越高；

理解说明：

此参数是用于吸收舵机在最终停止位置往返振荡所设置的。舵机接收到控制输入信号，然后与基准信号做差值，然后输出差值脉冲用于控制舵机内部直流电机正反转，经过齿轮组减速后，驱动舵盘和电位器转动，电位器输出反馈基准信号，直到电位器反馈的基准信号与输入信号完全一致时，舵机停止转动。

舵机实际运行到停止位置时，由于存在运动惯量，电位器输出的反馈基准信号与输入信号不能完全一致，差值脉冲在很小的范围内输出，导致舵机在停止位置附近往返振荡。

最小脉冲宽度的由来：为了解决往返振荡问题，在接近停止位附近用电路方式将差值脉冲吸收。

精确度误差的由来：由于差值脉冲被吸收掉，导致实际位置与目标位置存在差异；限值的差值脉冲越小，越接近目标位置。

死区参数优缺点：

优点：消除舵机在停止位置的往返振荡；

缺点：死区越小，精度越高，意味着死区范围内的差值脉冲调整越频繁；加剧对齿轮组和电位器的磨损；

6.扭矩（kg.cm）：

舵机所能提供的最大扭矩。表示的是距离转动轴中心1cm处，舵机能够带动的重量。一般舵机能做到40kg.cm，是采用金属齿轮和金属结构件，再往下小扭矩的就是使用塑胶结构件。

二、电路设计

本次介绍的常规舵机的硬件系统是由KC9102马达驱动芯片，工作电压（2V~5.5V），可驱动外部H桥电路（TC118S）控制电机正反转，SC662K输出3.3V的LDO。

1. U1 的UH、VH、UL、VL控制H桥电路上下臂的栅极驱动开关，输出高低电平信号；

2. U1 PPM信号，是把多路PWM信号调制到一路通道上，发送到接收机后再由接收机还原成多路PWM从各个通道输出；

1. U1 POT位置反馈输入信号，通过结构件齿轮减速箱输出轴连接电位位置传感器，它有一个与机械轴相连的触点，该机械轴的运动可以是有角度的（旋转的）或线性的（滑块型），这会导致滑块和两个端部连接之间的电阻值发生变化，从而产生电信号输出在电阻轨道上的实际抽头位置与其电阻值之间具有比例关系。换句话说，阻力与位置成正比。（更精密高级的方案是霍尔传感器和光栅编码器）

1. U3 INA、INB是驱动IC全桥输入控制信号，控制这2个信号可实现电机前进或后退，OUTA、OUTB是输出端连接电机，真值表如下所示；

三、总结

舵机工作原理是通过精密的电气与机械设计，将控制信号转化为精确的机械动作，广泛应用于航模、机器人、车辆模型等需要精确操作的领域。选择合适的舵机时，需考虑应用需求、精度、耐用性和成本等因素。下表是关于舵机重要参数优缺点的对比。

以下是舵机常见的问题和解决方法，舵机的选取和产品的应用场景，使用寿命有直接关系，对精度和稳定性要求高的场景需要选取高精度金属齿轮，输出轴使用轴承传动，选取额定扭矩>2*实际扭矩等关键参数，保留一定的余量，防止舵机使用时间过长后带来的负载过大带来的温升导致控制的角度精度误差越来越差的情况。闭环的位置检测优先考虑磁编和光栅编码器，软件控制逻辑对舵机的角度误差校准使用微分补偿法精度更高。

舵机虚位：指的是控制转动的角度和实际的误差。

新舵机的虚位原因可以归结为加工精度不够，或者设计有缺陷，比如齿轮间隙过大，或者是轴与轴孔之间有间隙等等。

使用一段时间后的虚位可以分为2种：第一种是输出轴磨损，一些低档的舵机没轴承，输出轴和外壳直接摩擦，会造成接触部分磨损产生间隙；另一种就是齿轮磨损，齿轮上保证有润滑脂，塑料齿轮磨损的风险更大，金属齿轮设计合理磨损风险小，也和齿轮的材料强度有关。

虚位产生后，可通过控制系统的反馈机制进行调整，对舵机的角度误差进行校准；简单方法：比例补偿法和积分补偿法；复杂方法：微分补偿法和模糊控制法。

1.比例补偿法：是通过测量舵机输出角度误差，设定一个比例因子，将角度误差与比例因子相乘得到补偿量，进而调整舵机的输出角度。

2.积分补偿法：是指通过持续积分舵机的输出角度误差，得到一个积分输出量，从而对舵机进行调整，从而消除角度误差。

3.微分补偿法：是指通过对舵机输出角度误差的微分值进行测量，并将微分值与比例因子相乘得到补偿量，进而调整舵机的输出角度。

4.模糊控制法：是通过建立舵机角度误差与补偿量之间的模糊关系，从而使用模糊逻辑控制器对舵机的输出进行调节。

响应速度问题：舵机的响应速度是指舵机在接收到控制信号后，从当前位置到目标位置所需的时间。在这个问题上可优化控制算法，减少舵机的响应时间；提高驱动电路的设计，使其能够更快的响应控制信号，输出更高的电流，从而提高舵机的响应速度。

四、无刷电机

1、工作原理介绍

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，线圈保持不转，控制定子线圈中电流的大小和相位，以此来控制电机的转速和方向，霍尔位置传感器感知线圈位置，电磁场和转子永磁体的磁场异性相吸，同性相斥原理。

永磁体转动电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有霍尔位置传感器。驱动器的功能是：控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续扭矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速。下面是无刷电机工作原理的动画视频。

PWM调速就是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。其实质是调节方波高电平和低电平的时间比，例如20%占空比波形，是20%的高电平时间和80%的低电平时间，如果占空比调到60%，那么就是60%的高电平时间和40%的低电平时间，占空比越大，输出的脉冲幅度越高，电压越大，转速越高，反之则转速降低。

三相绕组的利用率优于四相、五相绕组；相数越多，扭矩脉动越小，电路成本越高；市面上星形联结三相桥式主电路应用最多。

2、电路设计

图中的U1是无刷驱动IC DRV8313，3个独立的半（H）桥控制，工作电压8~60V，可允许2.5A峰值电流或1.75A均方根电流，带过流保护、短路保护、欠压闭锁和过温保护等功能。

图中的U2是12位可编程磁旋转位置传感器，非接触式系统，用于测量直径磁化轴上磁体的绝对角度。

（1.通过配置PGO可设置为I2C数据（A or C）或PWM/模拟电压输出模式（B）使用out输出数据，接GND编程选项B，内部上拉； 2.DIR控制旋转方向，接GND数值顺时针方向增加，接VDD数值逆时针方向增加）

1. U1.PIN1和2 CP1和CP2电荷泵引脚，可实现升压驱动能力更强；

2. U1.PIN5、8和9 OUT1、OUT2和OUT3是无刷电机的三相接线圈电机位置，驱动电机的转动；

3. U1.PIN6、7和10 PGND1、PGND2和PGND3电机的负极，可直接接地（也可接采样电阻读取线圈每相的电流）；

4. U1.PIN12、13和19 COMPP、COMPN和COMPO比较器的输入和输出端，可设置输入端的参考电压大小，来做电流限制比较器或用于其他目的；

1. U1.PIN15 V3P3OUT调节电压，在睡眠模式下保持运行；

2. U1.PIN16 /RESET 内部下拉，需外接上拉，低电平复位初始化；

3. U1.PIN17 /SLEEP 低电平有效，进入低功耗状态，IC停止工作；退出睡眠模式会延时约1ms后继续正常工作；

4. U1.PIN18 /FAULT 低电平有效表示故障，外部接上拉，开漏输出；

5. U1.PIN22、24和26 EN3、EN2和EN1高电平使能，内部下拉，工作时需外部接上拉；

6. U1.PIN23、25和27 IN3、IN2和IN1输入信号，用于控制半桥的开关状态，内部下拉；半桥控制真值表如下：

3、总结

优点：

具有高效率>90%、低能耗、低噪音、无换向火花、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点广泛应用于航模、高速车模和船模。

缺点：

结构复杂，使用电子换向器，成本高，控制复杂，启动在低速时扭矩波动，梯形反电动势导致低速时扭矩脉动（约±5%）。