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执行器将电能转化为机械运动——它是机器人的“肌肉”。转动关节、旋转车轮、伸展机械臂：自主移动机器人或机械臂的每一个运动部件都由执行器驱动。“无刷直流电机”、“步进电机”和“伺服电机”这几个术语经常被当作并列选项来讨论，但实际上它们混淆了两个不同的维度。无刷直流电机和步进电机是“电机类型”，其定义取决于电磁力的产生方式和位置（结构）；而伺服电机在大多数情况下是一种“控制架构”——无刷直流电机与编码器和驱动器配合使用以形成闭环控制——两者并非互斥的替代方案。基于此，在实际选择执行器时，真正重要的是在扭矩、响应速度和控制复杂性/成本这三个维度之间进行权衡。本文将使用实际产品数据对这三个维度进行比较。
NEMA17 步进电机
外转子型无刷直流电机（三线）图片：Nema 17 步进电机 (oomlout, CC BY-SA 2.0) / Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0)，均来自 Wikimedia Commons。并非文中比较的确切产品（StepperOnline/T-Motor 型号），而是相同电机结构的代表性示例。
在维基共享资源中没有找到合适的伺服电机（Dynamixel/Yaskawa 电机）照片，因此未包含。
原理：扭矩和反电动势，所有电磁电机的共同点
无刷直流电机、步进电机和伺服电机都基于相同的电磁原理。电流通过置于磁场中的线圈时，会在导体上产生一个力（洛伦兹力），该力即为驱动转子旋转的扭矩。产生的扭矩T大致等于电机扭矩常数k_t和绕组电流I的乘积。
当转子旋转时，线圈本身在磁场中运动，产生一个与角速度\omega成正比的反电动势e。
在理想电机中，当各单元对齐后，k_t 和 k_e 的值相等。这正是电机基本扭矩-转速特性的来源：电流越大，扭矩越大；转速越高，反电动势越接近电源电压，从而增加加速难度。无刷直流电机、步进电机和伺服电机之间的区别归根结底在于电磁力的产生方式（结构）和控制方式（架构）——仅此而已。
结构轴：无刷直流电机和步进电机
无刷直流电机（BLDC电机）由一个带有永磁体的转子和一个带有多相绕组的定子组成，这些绕组通过电子方式进行切换。传统的有刷直流电机通过机械触点（电刷和换向器）切换电流方向，而无刷直流电机（BLDC）则通过霍尔传感器或反电动势检测来感知转子位置，并通过半导体开关（逆变器）以电子方式切换绕组的励磁模式。由于没有机械磨损部件，它具有长寿命、高效率和高速旋转的优势，使其成为以连续旋转为基础的应用的主力军。转子位置的检测方式也有两种选择：一种是“有传感器”设计，它将霍尔传感器物理安装在定子中，即使在静止或低速运转时也能精确跟踪位置，但代价是需要更多部件和更高的成本。另一种是“无传感器”设计，它通过绕组中感应的反电动势波形来推断位置，虽然减少了部件数量，但在刚停止或极低速运转时（此时反电动势很小），位置估计精度会降低。大多数无人机电机之所以采用无传感器设计，正是因为这种缺陷恰好与它们的应用场景相符——一旦升空，电机的转速就会远高于低速运转的范畴。
步进电机通过离散的角度步进驱动转子前进，依次激活定子的磁极。大多数产品无需编码器，采用开环控制，仅通过“发送的脉冲数”来跟踪位置。转子每次通电开关所前进的角度称为步进角；一个典型的 1.8° 步进电机将一整圈分为 200 个步进（360° ÷ 1.8°）。
BLDC电机结构
双极步进电机绕组图片：EC-Motor (Dermartinrockt, public domain) / Stepper Motor Bipolar Coils (public domain)，均来自Wikimedia Commons。
开环控制存在失速的风险（发送的脉冲与实际旋转不匹配，导致位置误差），但优点是电路简单且成本低廉。仅需保持通电即可在静止状态下产生较大的保持转矩，这是与无刷直流电机（BLDC）截然不同的另一个特性，后者需要持续旋转。
即使在BLDC内部，控制方法也会根据绕组通电模式的切换方式而进一步细分。最简单的梯形（六步）换向每次只切换三相中的两相——电路保持简单，但转矩波动往往出现在换向切换的瞬间。相比之下，正弦驱动（磁场定向控制，FOC）则根据转子角度保持正弦电流流经所有三相，从而保持产生的转矩平滑。虽然FOC的计算量比梯形驱动更大，但对于低速振动或噪声敏感的应用（例如机器人关节、精密设备），FOC已成为标准选择。即使在相同的BLDC“结构”下，仅“控制方法”的选择就会改变响应平滑性和控制器复杂度之间的权衡。
控制架构轴：伺服电机作为“闭环控制”的名称
“伺服电机”并非指特定的电机结构，而是指一种控制架构，它将电机与编码器（位置/速度传感器）和驱动器（控制电路）相结合，通过反馈目标值与测量值之间的差异来跟踪目标。大多数商用“伺服电机”产品内部实际上是无刷直流电机（或交流伺服电机的同步电机），并在其上叠加了闭环控制层。基本控制律是PID控制，它根据误差e(t)与目标值之间的偏差计算操纵变量u(t)，如下所示：
PID控制反馈回路图片：PID 控制器框图 (Arturo Urquizo)，Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)。
比例项（K_p e）响应当前误差本身，积分项消除累积误差，微分项响应误差变化的速度。由于编码器持续监测实际位置/速度并不断进行修正，即使在负载变化等干扰下，系统也能保持对目标的跟踪。各增益值（K_p、K_i、K_d）很少仅凭理论就能确定——要达到可用的控制性能，需要进行“调优”，即在实际硬件上观察响应波形，并进行反复试验。增益过小会导致跟踪迟缓；增益过大则会导致振荡或不稳定，因此，这种调优工作本身也成为采用伺服系统的成本之一。此外，还有一种中间产品类别——“闭环步进电机”，它在步进电机上增加了一个编码器以形成闭环——它的存在证实了开环/闭环轴和无刷直流电机/步进电机轴是真正彼此独立的。
主要产品规格对比
| 产品 | 类型 | 额定/最大扭矩 | 速度/分辨率 | 电压/电流 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| Maxon EC-i 40 | 无刷直流电机（工业级） | 最大连续扭矩 171mNm，堵转扭矩 2760mNm | 空载转速 ~4,700–18,000rpm（取决于电压） | 15–48V | 额定输出功率 170W |
| T-Motor MN5006 (KV300) | 无刷直流电机（无人机外转子电机） | 推荐推力 0.8–1kg（连续），最大推力 3.2kg | 24N28P 配置，重量 108g | 兼容 4–6S 锂电池，峰值电流 26A | Antigravity 系列，专为长续航飞行而设计 |
| StepperOnline 17HS24-2104S | 步进电机（NEMA17，开环控制） | 保持扭矩 65Ncm | 步进角 1.8° (200 步/转) | 2.1A/相 | 42×42×60mm |
| Robotis DYNAMIXEL XM430-W350-T | 伺服电机（机器人关节） | 堵转扭矩 4.1Nm，额定扭矩 0.82Nm | 分辨率 4096 (12 位，0.088°) | 12V | 重量 82g，支持基于电流的位置控制 |
| Yaskawa SGM7G | 伺服电机（工业交流伺服电机） | 额定扭矩高达 95.2Nm | 额定转速 1500rpm，24 位编码器 | — | Sigma-7 系列最高扭矩等级 |
在同一Sigma-7系列产品中，SGM7J（最大扭矩2.39Nm，转速3000rpm）和SGM7P（最大扭矩4.77Nm，转速3000rpm）定位于小型、轻型应用，而SGM7G则将转速限制在1500rpm，但扭矩高达95.2Nm——这显然是一款“高扭矩、低转速”的型号。尽管它们采用同一制造商和相同的编码器技术（24位），却根据扭矩或转速的优先顺序细分为多个型号，这表明“伺服电机”这一产品类别并非只有一种性能模式——它涵盖了一系列扭矩/转速的权衡，以匹配不同的应用场景。
比较这两款BLDC产品，可以看出即使在同一“BLDC电机”类别中，“优化”的方向也可能截然不同。 Maxon 的 EC-i 40 是一款工业级执行器，其设计重点在于宽扭矩和速度范围以及灵活的电压范围；而 T-Motor MN5006 则将飞行器特有的一个问题推向了极致——如何在 108 克的重量下产生最大的推力（功率重量比）。StepperOnline 的 17HS24-2104S 步进电机在 2.1A/相的简单恒流驱动下即可实现 65Ncm 的保持扭矩，并且能够在静止状态下保持如此高的扭矩而无需编码器，这是无刷直流电机和伺服电机所不具备的特性。这两款伺服产品中，面向机器人关节的 DYNAMIXEL XM430 将 4096 分辨率的编码器集成到紧凑的 12V/82g 封装中；而工业级的安川 SGM7G 则设计为截然不同的重量级别，在 1500rpm 的实用工作转速范围内可提供高达 95.2Nm 的扭矩。
作为参考，newbot 项目 的传动系统未使用任何无刷直流电机、步进电机或伺服电机——它采用的是一台带编码器的有刷直流齿轮电机（12V，100RPM），并通过电机驱动器（Cytron MDD10A）进行 PWM 驱动。然而，它的控制方式并非此处所述的“伺服”意义上的实时闭环速度控制；这是一种前馈式设置，其中发送一个已知的速度指令（毫米/秒），将其与编码器的测量值进行匹配，并用于预校准速度指令到 PWM 占空比的转换系数。对于相对简单的两轮差速驱动系统，这表明设计者认为，仅通过预校准就能使廉价的通用齿轮电机达到可用的精度，比引入专用伺服产品提供的持续反馈控制，在成本/复杂性方面更为合理。
历史：真空环境下的电刷磨损、软盘的核心以及源于防空瞄准的控制论
无刷直流电机：发现电刷在真空中只能持续几分钟——二战期间，飞机在 30,000 英尺（约 9,100 米）以上高度旋转设备中电刷的快速磨损和失效，成为无刷电机研究的起点之一。 20世纪50年代中期，H. D. Brailsford提出了首款被称为“无刷”的直流电机，证明去除电刷可以显著延长电机的使用寿命。在理论方面，T. G. Wilson和P. H. Trickey在1962年发表的论文《采用固态换向的直流电机》中提出了使用晶体管的固态换向概念。而决定性的发现来自美国国家航空航天局（NASA）：1966年的一份技术报告显示，传统碳刷换向器在真空环境下运行时寿命仅为几分钟。换句话说，太空真空本身就排除了有刷电机的可能性——到1965年，符合太空标准的无刷直流电机（功率从1瓦到0.5马力不等）已经投入使用，用于阿波罗登月舱的氧气循环以及土星1B和土星5号火箭的冷却泵。到1974年，无刷直流电机已成为阿波罗生命维持系统鼓风机和月球便携式生命维持系统氧气循环的标准选择，NASA工程师开始期望其在太空探索和卫星应用中能够实现长达10年的免维护运行寿命。一个简单的机械部件——电刷——在极端真空条件下成为了瓶颈，而解决这个问题推动了电子控制技术的实际应用：这是一个太空发展催生民用技术的经典案例。
步进电机：从继电器到软盘 — 据称，步进电机的起源可以追溯到20世纪初的步进继电器（一种用于电话交换机等设备的机械装置，它通过每个脉冲推进一个触点），而第一个现代步进电机原型出现在20世纪20年代。20世纪70年代末，步进电机被应用于软盘和硬盘驱动器，这是该技术得以广泛传播的关键时刻。逐磁道精确定位读写磁头，与开环控制的核心特性——“发送的脉冲数等于移动的距离”——完美契合，无需编码器，这开启了步进电机大规模生产的时代，使其成为消费级存储硬件的核心部件。
伺服：防空炮瞄准催生了控制论 — 二战期间，数学家诺伯特·维纳致力于解决防空炮自动瞄准这一难题。高速飞行的飞机在炮弹到达之前就已经飞到了别处，因此火炮瞄准的并非飞机当前的位置，而是它即将到达的方向。维纳推导出了利用噪声雷达观测数据预测飞机轨迹的数学模型，并将预测结果持续反馈给瞄准机构。在此过程中，他注意到这套系统本身的某些特性——火炮、雷达和操作员共同构成了一个能够感知自身误差并不断修正的单一系统——并意识到同样的模式也适用于生物体的神经系统。这一洞见最终凝结成他1948年出版的著作《控制论：或动物与机器中的控制与通信》。作为军事技术的副产品，防空炮瞄准系统后来成为所有闭环控制系统的理论基础，包括如今伺服电机直接应用的反馈控制理论。 PID 控制的基本原理——测量误差与目标值的偏差，并向抵消误差的方向发送修正指令——从数学角度来看，与维纳在由火枪、雷达和操作员组成的复杂系统中发现的结构完全相同。
实际应用案例：一架无人机上配备八个两两配对以实现冗余的无刷直流电机
大疆创新 (DJI) 的 Agras T50 是一款农业喷洒无人机，它“同时使用多个无刷直流电机”的典型案例。该无人机共四个臂，每个臂配备两个电机和八个螺旋桨，电机和螺旋桨同轴排列（同轴双旋翼配置），将每个臂产生的升力分配给上下两个电机。这种配置的优势在于冗余性：如果一对电机中的一个发生故障，另一个电机可以继续维持升力。该无人机空重约 40 公斤，可携带 40 公斤有效载荷用于喷洒，或 50 公斤有效载荷用于撒播，装载撒播物料时起飞重量可达 103 公斤。配合环境探测系统（前后相控阵雷达和双目视觉系统），即使在农田这种障碍物密集的环境中，其作业效率也能达到每小时 21 公顷。该无人机的设计理念并非追求单个无刷直流电机的可靠性极限，而是采用多电机并联的方式，在机械层面实现冗余，这正是大型重载无人机实际部署的关键所在。即使是“使用多个无刷直流电机”这一概念，在不同的应用场景下也各有不同——消费级四旋翼飞行器只需四个电机即可满足姿态控制的自由度要求，而工业级无人机则必须同时满足有效载荷的提升和冗余的要求，因此增加电机的实际用途也有所不同。
仅凭扭矩规格无法展现的真相——2025 年“人类级”驱动量化尝试
一篇发表于 2025 年 11 月的论文《人形机器人的人类级驱动》（MD-Nazmus Sunbeam）探讨了如何评估人形机器人的驱动器性能。该论文提出了一个三层框架：首先是“运动学自由度图谱”，用于标准化每个关节的坐标系；其次是“人类等效包络”，用于定义以人类身体能力为基准的扭矩/功率需求；最后是“人类级驱动评分”，用于综合分析这三层框架。该论文的核心观点是，仅关注规格表上的峰值扭矩数值会掩盖一个真正重要的权衡——提高齿轮比可以增加扭矩，但会牺牲响应带宽和效率；保持较低的齿轮比可以保持快速响应，但难以提供所需的扭矩。这与本文的核心问题——在无刷直流电机、步进电机和伺服电机之间进行选择——本质上是相同的结构性问题，只是在齿轮比的选择上更进一步——这反映了目前的研究前沿。接近直接驱动（无减速齿轮）可以更容易地感知外部作用力（更高的反驱动能力），但性能会受到裸电机扭矩输出的限制；相反，提高齿轮比可以处理更大的扭矩，但会牺牲响应速度和机械反驱动能力。这种关系表明，本文开头提出的扭矩/响应/控制方式之间的权衡关系不仅仅局限于执行器本身，而是延伸到其所处的整个机构的设计中。
决定性能的参数
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扭矩重量比（功率重量比）：对于无人机等飞行器而言，决定性能的并非绝对扭矩，而是“相对于自身重量所能产生的推力”。这正是 T-Motor MN5006 如此执着于其 108 克重量的原因——这与 Maxon EC-i 40 等工业设计理念的评估维度截然不同。
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开环与闭环：步进电机的开环控制成本更低、结构更简单，无需编码器反馈电路，但代价是存在堵转风险。对于负载变化较大且位置精度至关重要的应用——例如精密机械臂作业——配备编码器的伺服系统几乎成为标配。
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静止保持扭矩：步进电机只需保持通电即可在静止状态下产生较大的保持扭矩，而无刷直流电机则需要特殊的控制（保持电流流动）才能在停止时继续产生扭矩，这往往会引发散热问题。
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响应速度（带宽）：伺服系统的闭环控制可以通过PID增益调节来进一步提升响应速度，但其上限取决于电机自身的电气时间常数（电感与电阻之比）和机械时间常数（惯性与阻尼之比）——原则上，再巧妙的控制律也无法使响应速度超过电机自身的物理特性所允许的极限。
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分辨率：与DYNAMIXEL XM430的4096计数分辨率（0.088°增量）一样，伺服系统的定位精度与其分辨率直接相关。编码器分辨率。步进电机的分辨率由其步进角决定（通常为 1.8°，可通过微步驱动进一步细分）——这是一个截然不同的决定因素。
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成本和控制复杂性：工业交流伺服电机（例如安川 SGM7G 系列）可提供高精度和高扭矩，但需要专用驱动器和复杂的调优。在早期原型设计阶段，通常会优先考虑成本低廉且控制简单的步进电机，例如 StepperOnline 的产品。
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换向方式导致的扭矩波动：即使是同一台无刷直流电机，梯形驱动和 FOC（正弦驱动）也会产生截然不同的扭矩平滑度。对于低速振动直接影响图像质量或运动精度的应用（例如相机云台、机器人关节），FOC（面向对象控制）几乎是必需的；而对于以高速旋转为主的应用（例如无人机螺旋桨），即使采用梯形驱动，也很少出现问题。
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通过冗余确保可靠性：正如 DJI Agras T50 的同轴双旋翼配置所示，在机构层面并行化多个单元并容忍其中一个单元的故障（而不是将单个电机的可靠性推至极限）的设计决策，对于大型、高有效载荷应用来说是一个切实可行的选择。
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驱动电压和电流裕度：Maxon EC-i 40 可在 15–48V 的宽电压范围内驱动，额定扭矩和转速随电压升高而提高。在电池电压固定的移动机器人中，实际可利用的电压裕度决定了最终的性能。像 T-Motor MN5006 这样的产品，其额定电压为 4-6S 锂聚合物电池（标称电压 14.8-22.2V），其应用范围同样直接由其预期供电电压范围决定。
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PID 增益调优成本：理论上，伺服电机的闭环控制可以跟踪任何负载变化，但实际上，在实际硬件上调优 Kp、Ki 和 Kd 增益需要花费大量精力。步进电机的开环控制则完全没有这样的调优步骤，而且启动整个系统所需的时间成本是除了扭矩和价格之外，值得权衡的一个因素。
执行器峰值扭矩可以连续使用吗？
峰值和连续额定值不同。
检查温度、转速、冷却情况和负载持续时间是否符合占空比要求。
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