之前我们学到了一点关于直流电机的知识。我们了解到直流电机接收电压作为输入，并产生速度作为输出。它通过一个被称为电机方程的公式来实现这种转换。电机方程告诉我们，电机的速度与电压输入成正比。因此，如果我们试图控制关节的速度，直流电机非常有用。但是，如果我们试图控制位置，直流电机就不太有用。

为了控制关节的位置，我们经常使用一种叫做伺服电机的设备。伺服电机有一个集成的传感器，可以读取直流电机的位置，以显示我的传感器读取的不是速度而是位置。我将放置一个积分器，通常由一个标有1/s的块表示，在速度和传感器之间。这个包括直流电机和传感器的整体设备被称为伺服电机。因此，伺服电机是一种通过将直流电机和传感器集成在一个设备中来控制位置的电机。伺服电机通过使用反馈控制来控制位置。

今天我们将学习另一种类型的电机，称为步进电机，它也能够控制机器人关节的位置。与伺服电机相比，步进电机是通过开环而不是反馈控制来实现其位置控制的。使用开环而不是反馈控制来控制位置有一些优点和缺点。例如，由步进电机执行的开环位置控制不需要传感器，而由伺服执行的反馈控制确实需要传感器。因此，其他条件相等的情况下，步进电机通常比伺服电机便宜。例如，对于具有相同扭矩或相同精度的步进电机和伺服电机，步进电机通常会更便宜，因为它不需要传感器。步进电机是一种数字执行器，而伺服电机是一种模拟执行器。意思是，步进电机只能移动到某些指定的位置，而伺服电机可以移动到任何位置。这意味着在某些情况下，反馈伺服电机会比开环步进电机更准确。最后，由于步进电机没有反馈，它没有能力抵抗干扰，而伺服电机可以抵抗干扰。

来看一张步进电机的照片。我想指出步进电机外部的一些特点。首先，你总是可以通过抓住轴并尝试旋转轴来区分步进电机和其他类型的电机。你会感觉到一种点击感，并听到一些点击声，因为轴在旋转。我稍后向你们展示步进电机内部时，原因会变得更清楚。其次，注意我们从步进电机引出的电线数量。我们使用的步进电机有六根电线，这与只有两根电线的直流电机和我们课堂上使用的伺服电机有三根电线（一根用于电源，一根用于地线，一根用于信号线）形成对比。步进电机总会有比其他类型的电机更多的电线。有时它们有四根电线，有时有六根，有时多达八根，我们再次看步进电机的内部以及它是如何工作的时候，你就会明白为什么。

步进电机外观

在这里展示的是步进电机的内部，像其他电机一样，步进电机有一个连接在轴上的转子(Rotor)和一个定子(Stator)，你在这边可以看到。转子和定子的步进电机有一些独特的特点。定子由多个极组成，你在这边看到的是为什么你的绕组，这些极都排列成一个圆圈。每个极由一个线圈组成，而且我不知道你是否能在这里看得很清楚，我们很快就会看到，它还由连接到这个线圈的多个齿组成。你也可以在转子部分看到，如果你仔细观察，这个圆形旋转部分上也有多个齿。正是这些齿让我们能够控制步进电机的位置。

为了帮助解释这些齿是怎么回事，我将给你们展示一个更近的转子视图。你可以更好地看到这些看起来像齿轮齿的特征。注意这里有两组这样的齿紧挨着。如果你仔细观察这两组看起来像齿轮齿的东西，你会发现上面的盘上的齿与下面的盘上的齿没有对齐。这实际上是一个非常重要的点，需要注意，以了解步进电机的工作原理。这两个盘是连接在一起的，以便两个盘同时旋转。

转子结构

现在，尽管这些齿看起来像齿轮齿，但它们实际上根本不是齿轮。尽管定子上有类似的齿，但转子上的齿从未与定子上的齿物理接触。相反，步进电机利用磁力使转子相对于定子旋转。底部盘上的齿轮齿将被磁化为南极，顶部盘上的齿将被磁化为北极。让我们现在从顶部视图看一下步进电机的转子和定子。

这是张图显示了步进电机的转子和定子从顶部视图。在这张图片中，红色代表磁的北极，蓝色代表南极。所以在这个代表转子的盘上，你注意到北极和南极的单个齿轮齿交替出现，那是因为北极盘的转子位于南极盘的转子的顶部，而且这两个盘没有对齐。现在，当我们在这些线圈中的一个上通电，这些T形部分在这里显示，我们通过的极被磁化，这部分极的小齿轮齿在这里显示被磁化为南极。当极被通电并因此被磁化时，转子上的相同极齿被排斥，转子上的相反极齿被吸引。你在这张图片中看到北极齿显示为红色，与极上的南极齿对齐。

请注意，在这张图片中，两个被着色的极，红色和蓝色，有电流通过线圈，而其他极没有任何电流通过。现在考虑当我们关闭当前正在打开的极，并打开下一个极时会发生什么。注意转子上的红色或北极齿目前没有与这个极和这个极上的齿对齐。当我们从当前被激活的极移除电流，并将电流应用于这个极和这个极时，盘将旋转一个等于这些齿的一半厚度的距离，以便红色北极齿将与现在被激活的极对齐，该极变成了南极。我们让步进电机连续旋转的方式是通过按顺序打开和关闭极。如果我按顺时针顺序打开极，那么中心的盘将顺时针旋转。如果我按逆时针顺序打开和关闭极，转子中心的盘将向逆时针方向转动。

每次我们按顺序激活下一个极，盘将旋转一个固定量，它旋转的距离等于这些在转子上的齿轮齿的一半厚度。这就是为什么步进电机被称为步进电机的原因。每次转子移动的距离等于一个齿的一半厚度，我们说电机已经移动了一步。这里有一个动画显示步进电机的工作情况。当你观看这个动画时，试着集中你的视线在一个极上，看看当那个极被激活时，转子上的齿会发生什么。

那么，我们如何控制步进电机的位置呢？对于我们将在课堂上使用的步进电机，们知道转子上有100个齿。有50个齿在北极盘上，50个齿在南极盘上。让我们看看步进电机外壳的标签。

在外壳上，它说每步1.8度。1.8度每步与我们对转子上有100个齿的了解是有意义的，我们知道每转有360度，如果我们将其除以每转100个齿，我们得到每个齿3.6度。我们知道转子在每一步旋转的距离等于一个齿的一半，所以我们然后将这个数字乘以每步半齿，这给了我们每步1.8度。

让我们简要回顾一下这个步进电机的内部。我记得我说我们的步进电机有六根电线，其中四根电线连接到电机的线圈，一根电线同时为这两个线圈供电，下一个电线同时连接到这两个线圈，第三个电线连接到这两个线圈，第四根电线连接到这两个线圈。剩下的两根电线都是地线。

注意，尽管步进电机非常擅长设置位置，但它也可以用来控制速度。我们通过控制我们为线圈供电的速度来控制步进电机的速度。如果我们能够精确地计时在激活一个极和激活下一个极之间的延迟量，我们可以控制不仅是位置，还有步进电机的速度。

让我们看一个简单的例子，如何设置步进电机的位置和速度。首先，假设你有一个步进电机，它的文档中说它每步有1.8度。假设你知道你想让电机达到90度的位置。我们通过计算步数来设置步进电机的位置。我们将90度位置目标除以每步1.8度，告诉我们需要移动步进电机总共50步。然后我们将我们的微控制器编程为按顺序激活极，计算出50个单独的步。当我们这样做时，我们必须假设步进电机在激活下一个极时总是进行一步。有时情况并非如此。步进电机可能会受到漏步的错误。当步进电机漏步时，我们认为它已经移动了一定的距离，但它没有移动正确的距离。在这种情况下，我们的微控制器并不知道已经错过了步骤，因此可能会引入定位误差。这是使用步进电机相对于伺服电机的一个缺点。具有集成传感器的伺服电机将意识到电机已经错过了一步或没有移动正确的距离，并且能够进行补偿。另一方面，当步进电机漏步时，它并不知道它已经漏步了。然而，这个方程的简单性是步进电机如此受欢迎的原因之一。很容易计算需要命令多少步才能使电机到达特定位置。

步数 = 转动角度/1.8

现在让我们看看步进电机的速度。假设我们有一个每步1.8度的电机，假设我们想要设置一个1000转/分钟的电机速度。我们需要弄清楚每个脉冲应该开启多长时间，以毫秒为单位。我们可以简单地将这个问题作为一个单位转换问题来解决。认识到我们正在寻找的每个脉冲应该开启多长时间是一个以毫秒/脉冲或毫秒/步为单位的答案。在这里，一个脉冲和一个步是一回事，因为一个电脉冲使转子旋转一步。

t = 1000/60000*360/1.8 = 3.33ms

这个答案对我在尝试用我的微控制器设置步进电机的速度时很有用。这个数字告诉我在打开一个脉冲和打开下一个脉冲之间需要等待多少毫秒。