无刷电机和有刷电机有什么区别？
同步电机和异步电机有什么区别？
绕线转子感应电机怎么样？
伺服电机都是交流电机吗？
伺服电机都是同步电机吗？
步进电机属于直流电机还是交流电机？
Is a servo motor a servo motor? ......
先贤曾说过：知识如果不系统，与一段文字有什么区别？
但圣书上那冗长的文字，那奇特的术语，那似是而非的解释，真是让人看在云端。
我也在网上查了很久，没有找到比较系统的电机结构和分类原理的讲解，所以费了很大的力气才查询整理了一份。
本文力图用通俗易懂的语言讲解系统的知识，并使用大量的动画和图片将晦涩难懂的知识形象地表达出来。
由于本人知识有限，难免有不少错误，敬请专家指正，不吝赐教。
1. 一张图解释电动机的基本类型
2. DC electric motor - brush motor
读过中学物理的学霸都知道，为了研究通电导体在磁场中受力的那个东西，我们把左手训练成了断掌，这正是直流感应电机的原理。
所有的电动机都是由定子和转子组成，在直流电动机中，为了使转子转动，需要不断改变电流的方向，否则转子只能转动半圈，这就像自行车踏板一样。
That's why DC motors need commutators.
从广义上讲，有刷直流电机包括有刷电机和无刷电机。
有刷电机也称为直流感应电机或碳刷电机，通常简称为有刷直流电机。
它采用机械换向，外部磁极不动，内部线圈（电枢）移动，换向器和转子线圈一起旋转，电刷和磁铁不移动，所以换向器和电刷摩擦摩擦，完成电流方向的切换。
有刷电机的缺点。
1、机械换向，换向器与电刷摩擦产生火花，电磁干扰大，噪声高，寿命短。
2、可靠性差，故障多，需要经常维护。
3、由于换向器的存在，限制了转子惯量，限制了最高转速，影响了动态性能。
既然它有这么多缺点，为什么它仍然被普遍使用，因为它扭矩大，结构简单，易于维护（即更换碳刷），价格便宜。
2. DC motors - brushless motors
无刷电机在某些领域也称为直流变频电机（BLDC），它采用电子换向（霍尔传感器），线圈（电枢）不动而磁极移动，那么永磁体可以在线圈外也可以在线圈内，所以有外转子无刷电机和内转子无刷电机
无刷电机的构造方式与永磁同步电机相同。
然而，单个无刷电机并不是一个完整的动力系统。无刷基本上必须通过无刷控制器，也称为ESC来控制，才能实现连续运行。
真正决定其性能的是无刷电子调速器（ESC）。
一般无刷电机的驱动电流有两种，一种是方波，一种是正弦波。
有时前者被称为直流无刷电机，后者被称为交流伺服电机，它正是交流伺服电机的一种。
无刷电机的工作方式不同，可分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。
内转子是三相的，价格较贵。
外转子通常采用单相，价格亲民，批量生产已接近碳刷电机，因此近年来得到广泛应用。
外转子三相的价格与内转子的价格接近。
嗯，正如您所猜到的，有刷电机的缺点是无刷电机的要点。
具有高效率、低能耗、低噪音、长寿命、高可靠性、伺服控制、无级变频调速（可达极高速度）等优点。
It is relatively smaller than the brush DC motor, control than the asynchronous AC motor is simple, the starting torque is large overload capacity, as for the disadvantages ...... is more expensive than the brush, bad maintenance.
2. DC motor - speed control principle
直流感应电机调速：所谓调速，就是通过调节电机的转速来获得所需的扭矩。
永磁直流电机通过调节电压、串联电阻、改变励磁都可以调速，但实际中电压调节是最方便、最常用的，主要采用PWM调速。
PWM其实就是通过高速开关来实现直流调压，一个周期，开时间长，平均电压高，关时间长，平均电压低，调节很方便，只要开关速度 只要开关速度足够快，电网的谐波就更少，电流更连续。
但电刷和换向器长期磨损，同时换向时电流变化巨大，极易产生火花。
换向器和电刷限制了直流感应电机的容量和转速，使得直流感应电机的调速遇到瓶颈。
对于无刷直流感应电机，速度控制仅控制表面的输入电压。
But the motor's self-control frequency control system (brushless DC motor itself comes with a rotor position detector and other rotor position signal acquisition device, using the rotor position signal of this device to control the variable voltage frequency control device phase change moment) automatically controls the frequency according to the variable voltage, which is almost the same as the DC (brushed) motor, very convenient. Very convenient.
由于转子采用永磁体，无需特殊励磁绕组，在相同容量的情况下，电机更小、更轻、更高效、更紧凑、运行更可靠、动态性能更好，在电动汽车驱动等方面已被广泛使用。
3. Three-phase AC motors - asynchronous motors
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。它们是鼠笼式感应电动机。
电机的外壳是定子，定子上有三个对称的交流绕组。
随着三相顺序的变化，形成旋转的合成磁场，磁场的旋转速度就是同步速度。
同步转速n=60f/p，f为频率，p为极对数，以接国家电网50Hz的2极电机为例（即极对数为1对），则转速n=60*50/1=3000r/min。
同样，4极、6极、8极电机的同步转速分别为1500、1000、750。
异步电机具有带有封闭线圈转子的简单机构，例如鼠笼式电机。
转子线圈将切割旋转磁场产生感应电势，进而产生感应电流，最终产生旋转磁场。
使转子成为电磁体并跟随定子磁场旋转，因此转子转速必须为 < 定子的旋转磁场，从而切割磁感应线。
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即转子的异步转速 <同步转速，转子和定子磁场之间存在转速差，所以称为异步电机。
异步电机的额定转速各厂家略有不同，2极电机约为2800+r/min，4极、6极、8极异步电机为1400+、950+、700+。
异步电动机空载时转速较高，有负载时转速降低。
异步电动机结构简单、维护方便、运行可靠、价格便宜，因而得到广泛应用。
4. Three-phase AC motors - synchronous motors
同步电机。
如果让转子转速=定子磁场旋转速度，就成了同步电机，这时候就需要把定子变成电磁铁或者永磁体，也就是给定子通电，这时候就不再需要了切割磁感应线即可旋转，其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，在生产寿命中应用不如异步电机广泛，主要用作发电机，现在火力发电站、水力发电站、汽轮机、水轮机基本都是同步电机。
5. Three-phase AC motor - asynchronous electric motors speed regulation
异步电机调速：理论上，异步电机控制交流频率、电压或转子电阻、电机极数分布即可调速，但实际中实现无级调速是用调节频率和电压的方法来实现的。
由于调压调速范围不大，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：说起变频，我们可能都听说过。
变频的全称是VariableVoltageVariableFrequency(VVVF)，是指改变频率的同时改变电压，使异步电机的调速范围足够大。
变频器可分为两大类：AC-AC变频器和AC-DC变频器。
AC-DC逆变器：通过电力电子器件将交流电直接变换为另一频率的交流电。
最大输出频率不能超过输入频率的一半，因此一般只用于低速、大容量系统，并且可以省去巨大的齿轮减速器。
AC-DC逆变器首先将交流电整流为直流电，然后通过逆变器将其变成频率和电压可控的交流电，采用PWM技术，这种逆变器可以实现大范围的电压和频率的可变。
对于电动汽车来说，异步电机耐用、过载能力强、控制算法成熟，完全可以使用。
6. Three-phase AC motor - speed regulation of synchronous motor
同步电机调速：
同步电机没有调节率，结构确定后控制电压无法改变转速，所以在变频器出现之前，同步电机是完全不受调节的。
变频器的出现使得交流同步电机也拥有了巨大的调速范围，因为它的转子也有独立励磁（永磁或电励磁），它的调速范围比异步电机更宽，而且同步电机有被赋予了新的生命。
同步电机变压变频调速系统可分为他控变速控制和自控变速控制。
对于其他控制的变频调速，与异步电动机的变频调速类似，可根据其数学模型采用SVPWM等控制方法进行控制，其性能优于普通交流异步电动机。
自控变频同步电机在发展过程中曾有过多种名称，如无换向器电机；当采用永磁体并输入三相正弦波时，可称为正弦波永磁同步电机；而如果输入方波，那么它就可以称为梯形波永磁同步电机，是的，它类似于前面所说的无刷直流电机（BLDM），我们不是感觉说唱的一大圈已经转回去了，但是你现在想必对变速有了更深入的了解，所以直流无刷电机在使用直流输入时，却采用了同步电机变频技术（与永磁同步电机结构相同），在Model3上就采用了直流无刷电机。
7. Single-phase AC asynchronous motor - single-phase AC series-excited motor (brush)
单相交流串励电动机，俗称串励电动机或通用电动机（UniversalMotor外文名，因交直流通用而得名），电枢绕组和励磁绕组串联在一起共同工作。
单相串励电动机又称交直流两用串励电动机，可以采用交流电源工作，也可以采用直流电源工作。
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单相串励电动机的优点是转速高、启动转矩大、体积小、重量轻、不易堵转、适用电压范围广、可以采用调压的方法调速，简单易实现。
因此广泛应用于电动工具，如角磨机、手电钻等。
单相串励电机的结构与直流串励电机非常相似，主要区别在于单相串励电机的定子铁芯必须采用硅钢片叠片而成，而磁极则采用硅钢片叠片而成。 DC可采用叠片式和整体式两种结构。
单相串励电机的调速，大多采用调节电压的方法，就是改变电势。
单相串励电机的调压方式采用受控移相调压，利用可控硅的触发电压滞后于输入电压来实现输入电压的移相触发。
实现上有硬件方法和软件方法。
稳压法采用可控硅调速技术，具有线路简单、元件体积小等可控硅简单有效的方法的特点
(a) 交流电流变化曲线；
(b) 电流为正半波时转子的旋转方向
(c) 电流为负半波时转子的旋转方向
8. Single-phase AC asynchronous motor - single-phase AC squirrel-cage motor (brushless)
单相电流流过电枢绕组时产生的是脉动磁场而不是旋转磁场，因此单相异步电动机不能自启动。
为了解决启动问题，单相交流异步电机实际上通常被制成两相。
主绕组由单相电源直接供电；次级绕组与主绕组在空间上相差90°（电角，等于机械角除以电机极对数）。
次级绕组经串联电容或电阻后接入单相交流电源，使流经其的电流与主绕组中的电流有一定的相位差。
这使得合成磁场成为椭圆形旋转场，甚至可能接近圆形旋转场。
电机由此获得启动扭矩。
采用电阻分相方式的电机价格便宜，例如次级绕组可以绕较细的线，但分相效果较差，能量消耗在电阻上。
电机启动并达到一定转速后，通常通过安装在电机轴上的离心开关自动去除次级绕组，以减少电阻损耗，提高运行效率。
一般用于启动扭矩要求不高的场合，如小型车床、小型冰箱等。缺点是转速不能调节。
可以使电机在某一工作点处的合成磁场接近圆形旋转磁场，从而获得更好的工作特性。
为了使分相异步电动机获得更好的启动性能或更好的运行特性或两者兼有，所需的电容（数值的大小）不同，可分为三种
9. stepper motors - open-loop stepper motors
（开环）步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的开环控制电机，应用极为广泛。
In the case of non-overload, the speed and stop position of the motor depends only on the frequency of the pulse signal and the number of pulses, and is not affected by changes in the load, when the stepper driver receives a pulse signal, it drives the stepper motor to rotate a fixed angle, called the "step angle", its rotation is to run at a fixed angle step by step. The rotation is run step by step at a fixed angle.
可通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精确定位的目的；同时可以控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是感应电机的一种，其工作原理是利用电子电路即驱动器将直流电转变为分时供电的多相定时控制电流。
步进电机虽然是由直流电流供电，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，而步进电机则是将电脉冲信号转化为角位移的开环控制电机。
10. Stepper motor - stepper servo comparison
Note that stepper motors are used in low-speed applications - no more than 1000r/min per minute, the best working range is 150~500r/min, (closed-loop stepping up to 1500).
2相步进电机在60～70r/min时容易出现低速共振现象，产生振动和噪声，需要通过改变减速比、增加细分数、增加磁力阻尼器等方法来避免。
细分精度注意事项，当细分级别大于4时，步距角的精度无法保证，精度要求高时，最好改用更多相（即更小的步距角）的步进电机或闭式步进电机。循环步进，伺服电机。
（开环）步进电机和伺服电机7个不同。
A control accuracy - servo motor control accuracy can be set according to the encoder, higher accuracy.
B low-frequency characteristics - stepper motors are prone to vibration at low frequencies, servo motors do not.
C moment-frequency characteristics - stepper motor torque becomes smaller with the increase in speed, so its maximum operating speed is generally in <1000r/min，伺服电机在额定转速（一般为3000r/min）即可输出额定扭矩，在额定转速以上恒功率输出，最高转速可达5000r/min；。
D overload capacity - stepper motor can not be overloaded, servo motor maximum torque can be overloaded 3 times.
E operating performance - stepper motor for open-loop control, servo motor when closed-loop control.
F speed response - stepper motor start-up time 0.15 ~ 0.5s, servo motor 0.05 ~ 0.1, the fastest 0.01s to reach the rated 3000r / min.
G efficiency indicators - stepper motor efficiency of about 60%, servo motor about 80%.
在实际使用中会发现：伺服电机价格昂贵，贵出很多，所以同步电机的应用更加广泛，特别是在定位精度要求不是很高的同步带传动、平面皮带输送机等场合经常使用步进电机。
11. Stepper motors - closed-loop stepper motors
闭环步进电机：除了开环步进电机外，还有一些步进电机在电机末端添加了编码器，可以进行闭环控制。
步进电机的闭环控制使用位置反馈和/或速度反馈来确定适合转子位置的相变，这可以极大地提高步进电机的性能。
伺服系统无失步现象。
闭环步进电机的优点。
1、高速响应。与套装电机相比，闭环步进器对定位指令的跟随性很强，因此定位时间很短。在频繁启动/停止的应用中，可以显着缩短定位时间。
2. 比普通舵机产生更大的扭矩。弥补了普通步进系统失步和低速振动的不足。
3、即使在100%负载下也能产生高扭矩，不失步运行，无需像普通步进系统一样考虑扭矩损失等问题。
4、采用闭环驱动，效率可提高到7.8倍，输出功率可提高到3.3倍，速度可提高到3.6倍。
比开环控制可以获得更高的运行速度、更稳定、更平滑的速度。
5、步进电机停止时会完全静止，不会出现普通伺服的微振现象。
当需要低成本、高精度定位时，可以替代通用伺服系统的应用。
12. stepper motor - stepper closed-loop servo comparison
闭环步进电机根据负载大小自动调节绕组电流大小，发热量和振动比开环步进少，有编码器反馈所以精度比普通步进电机高，电机响应比开环步进电机好步进电机比伺服电机慢，运行时存在位置误差，指令停止后误差会以毫秒为单位逐渐减小。
高速力矩大于开环步进，常见应用在0-1500rpm的场合。
综上所述：闭环步进电机具有低成本、高效率、无抖动、无停微振、高刚性、无需整流、高速度、高动态响应等优点，是高成本伺服系统的更新换代产品，低端开环步进系统和其他经济高效的解决方案
13. Servo motor - General servo motor
伺服电机（servo motor）又称执行器电机，可以使控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转换成扭矩和速度来驱动控制对象。
与步进电机的原理结构不同，伺服电机是标准的直流电机或交流感应电机，因为控制电路放在电机外部，电机部分放在电机内部。
伺服电机依靠脉冲进行定位。当伺服电机接收到1个脉冲时，会旋转1个脉冲对应的角度。
电机每旋转一个角度，编码器就会发出相应数量的反馈脉冲。反馈脉冲与伺服驱动器接收到的脉冲形成闭环控制，使伺服驱动器能够非常精确地控制电机的旋转，从而实现精确定位。
伺服电机控制：工业用伺服电机一般由电流环、速度环和位置环三环控制，分别可以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来控制电机各相的驱动电流，使电机的速度和位置能够准确地按预定运行。
交流伺服具有额定转速下恒扭矩的特点，常见的200W、400W中低惯量交流伺服额定转速为3000rpm，最高转速为5000rpm，高速。
扭矩与电流成正比，因此可以工作在扭矩模式，如锁螺丝、压端子等需要恒扭矩的场合。
交流伺服工作噪声和振动很小，发热量低。
同体积电机惯量转子惯量小，400W伺服惯量仅相当于57底座2NM步进电机的转子惯量。
伺服具有短时过载能力，选型时需考虑加减速时电机过载倍数。
伺服采用闭环控制，具有与闭环步进器相同的位置跟踪误差。
伺服在使用前需要进行调试。
步进和伺服电机的原始扭矩不够，经常需要与减速机配合工作，可以使用减速齿轮组或行星减速机。
6. Servo motor - servo
Servo是一类直流伺服电机，最初用于小型飞机模型，现在用于小型机器人关节。
从结构上分析，伺服由小型直流电机，加上传感器、控制芯片和减速齿轮组组成，安装在一个集成的外壳内。
它能够通过输入信号（通常是PWM信号，也可以是数字信号）来控制旋转角度。
由于是简化版，将伺服电机原来的三环控制简化为一环，即只检测位置环。
一种廉价的解决方案是电位计，它由电阻器检测，而先进的解决方案将使用霍尔传感器或编码器。
通用舵机价格低廉、结构紧凑，但精度很低，位置平静能力较差，只能满足很多低端需求。
随着近两年消费级小型机器人的热潮，小型轻量的舵机瞬间成为最合适的关节部件。
然而，机器人关节对性能的要求比航拍舵机高得多，而且作为商业产品也比DIY玩家需要更高质量的舵机。
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