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移動機器人該如何選擇合適的驅(qū)動電機？
日期：2023-05-10
在移動機器人中，驅(qū)動電機的功能是在控制信號（如電壓、電流、脈沖等）的作用下將電能變換成電機轉(zhuǎn)軸的角位移、角速度或扭矩進(jìn)行機械能的輸出。驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)一般包括：機座、外殼、前后端蓋、定子組件、轉(zhuǎn)子組件、鐵芯、絕緣繞組、電機轉(zhuǎn)軸、軸承、換向器、編碼器、抱閘裝置等。移動機器人常用的驅(qū)動電機主要有：直流伺服電機、交流伺服電機、步進(jìn)電機。下面，為大家逐一詳細(xì)介紹：
一、直流伺服電機
直流伺服電機采用直流電源供電，包括：普通直流伺服電機、盤形電樞直流伺服電機、空心杯電樞直流伺服電機、無槽電樞直流伺服電機、直流力矩電機等。
直流伺服電機的基本工作原理與普通直流電機完全相同，即通過電樞電流和氣隙磁通量的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使直流伺服電機定子旋轉(zhuǎn)。直流伺服電機通常采用電樞控制方法，即在保持勵磁電壓不變的情況下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)速度：電樞電壓越小，轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停止。
移動機器人一般自身攜帶電池，因此采用的驅(qū)動電機也以直流伺服電機為主。當(dāng)直流伺服電機的電壓與電池電壓不一致時，需要借助電源轉(zhuǎn)換模塊（DC-DC）實現(xiàn)二者之間的適配。
1.普通直流伺服電機
普通直流伺服電機的定子為電磁式或永磁式，轉(zhuǎn)子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構(gòu)成。普通直流伺服電機具有較強的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使得該電動機的機械慣性較大，低速時運行平穩(wěn)性較差，控制死區(qū)較大。
2.盤形電樞直流伺服電機
盤形電樞直流伺服電機的定子為永磁式，轉(zhuǎn)子為一圓盤結(jié)構(gòu)，電樞有線繞式（線繞盤式）和印刷電路式（印刷盤式）之分。該電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕，轉(zhuǎn)子的機械慣性小，但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動機容量可達(dá)數(shù)千瓦，印刷盤式的容量小一些。
3.空心杯電樞直流伺服電機
空心杯電樞直流伺服電機的定子為永磁式，轉(zhuǎn)子以一空心杯構(gòu)體為骨架，其杯壁上放置（或印制）電樞繞組。其電樞繞組可以是繞線式繞組也可以是印刷式繞組。這種伺服電機以機械慣性極小著稱，控制靈敏度高，幾乎無控制死區(qū)，其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電機。
4.無槽電樞直流伺服電機
無槽電樞直流伺服電機與普通直流伺服電機的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)子鐵心不開槽，電樞繞組固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電機具有較大的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電動機容量可以做的較大，低速平穩(wěn)性好。
5.直流力矩電機
直流力矩電動機是一種低速、大力矩電機，它能在不需要中間減速機構(gòu)的情況下直接拖動負(fù)載實現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運行，甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無爬行現(xiàn)象，又具有很高的穩(wěn)速精度。因此，特別適用于那些較低速度且又有相當(dāng)負(fù)載能力要求的場合。直流力矩電動機在結(jié)構(gòu)上和普通直流伺服電機相同，但它的定子主磁極數(shù)較多，通常做成扁平結(jié)構(gòu)。下圖為某型四足機器人關(guān)節(jié)所用的一種直流力矩電機。
二、交流伺服電機
交流伺服電機采用交流電源供電，包括：同步型交流伺服電機、異步型交流伺服電機。
交流伺服電機在結(jié)構(gòu)上類似于單相異步電動機，它的定子鐵芯中安放著空間相差90°電角度的兩相繞組，一相稱為勵磁繞組，一相稱為控制繞組。電動機工作時，勵磁繞組接單相交流電壓，控制繞組接控制信號電壓，要求兩相電壓同頻率。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：籠型轉(zhuǎn)子和空心杯形轉(zhuǎn)子。交流伺服電機應(yīng)用于工業(yè)機器人上比較常見，應(yīng)用在移動機器人上的情況相對較少。
1.異步型交流伺服電機
異步型交流伺服電機指的是交流感應(yīng)電機，它有三相和單相之分，也分為鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速。
2.同步型交流伺服電機
同步型交流伺服電機的定子與異步型電機一樣，都是在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。磁滯式和反應(yīng)式同步電機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。永磁式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高，缺點是體積大、啟動特性欠佳。
三、步進(jìn)電機
步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。其結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。步進(jìn)電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動機又稱脈沖電動機。步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差的特點使其在工業(yè)、航天、機器人、精密測量等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機一般用于對精度和速度要求不高的機器人系統(tǒng)。
步進(jìn)電機的工作原理是：當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。
那么該如何選擇合適的電機？
選擇移動機器人的驅(qū)動電機并沒有什么特定的規(guī)律可循，一般而言，選擇什么樣的電機，在很大程度上取決于負(fù)載的物理特性、負(fù)載的工作特性、系統(tǒng)要求以及工作環(huán)境。移動機器人電機的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾點:
（1）選擇電機類型：根據(jù)移動機器人的運行路況性質(zhì)對電機啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、扭矩等的要求選擇電機的類型。
（2）確定電機結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)移動機器人使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、防爆等，確定電機的結(jié)構(gòu)形式。
（3）確定電壓等級：根據(jù)移動機器人電源的電壓、電流等參數(shù)確定電機的電壓等級。
（4）確定電機的輸出扭矩：根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其變化范圍、減速機構(gòu)的減速比確定電機的輸出扭矩。電機連續(xù)扭矩>1.2~1.3倍負(fù)載扭矩。
（5）確定轉(zhuǎn)速范圍：根據(jù)移動機器人的行駛速度、減速機構(gòu)的減速比等性能要求確定電機的轉(zhuǎn)速范圍。
（6）確定電機功率：根據(jù)電機的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速范圍、過載能力等參數(shù)確定電機的額定功率。
（7）校核電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量：負(fù)載慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量的比值應(yīng)小于5:1。
除上述各點外，還要綜合考慮電機運行的可靠性、備品備件的通用性、安裝維修的難易程度以及產(chǎn)品價格、運行費用和維修費用等各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到安全運行和節(jié)約能源的目的。
一、直流伺服電機
直流伺服電機采用直流電源供電，包括：普通直流伺服電機、盤形電樞直流伺服電機、空心杯電樞直流伺服電機、無槽電樞直流伺服電機、直流力矩電機等。
直流伺服電機的基本工作原理與普通直流電機完全相同，即通過電樞電流和氣隙磁通量的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使直流伺服電機定子旋轉(zhuǎn)。直流伺服電機通常采用電樞控制方法，即在保持勵磁電壓不變的情況下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)速度：電樞電壓越小，轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停止。
移動機器人一般自身攜帶電池，因此采用的驅(qū)動電機也以直流伺服電機為主。當(dāng)直流伺服電機的電壓與電池電壓不一致時，需要借助電源轉(zhuǎn)換模塊（DC-DC）實現(xiàn)二者之間的適配。
1.普通直流伺服電機
普通直流伺服電機的定子為電磁式或永磁式，轉(zhuǎn)子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構(gòu)成。普通直流伺服電機具有較強的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使得該電動機的機械慣性較大，低速時運行平穩(wěn)性較差，控制死區(qū)較大。
2.盤形電樞直流伺服電機
盤形電樞直流伺服電機的定子為永磁式，轉(zhuǎn)子為一圓盤結(jié)構(gòu)，電樞有線繞式（線繞盤式）和印刷電路式（印刷盤式）之分。該電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕，轉(zhuǎn)子的機械慣性小，但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動機容量可達(dá)數(shù)千瓦，印刷盤式的容量小一些。
3.空心杯電樞直流伺服電機
空心杯電樞直流伺服電機的定子為永磁式，轉(zhuǎn)子以一空心杯構(gòu)體為骨架，其杯壁上放置（或印制）電樞繞組。其電樞繞組可以是繞線式繞組也可以是印刷式繞組。這種伺服電機以機械慣性極小著稱，控制靈敏度高，幾乎無控制死區(qū)，其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電機。
4.無槽電樞直流伺服電機
無槽電樞直流伺服電機與普通直流伺服電機的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)子鐵心不開槽，電樞繞組固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電機具有較大的負(fù)載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電動機容量可以做的較大，低速平穩(wěn)性好。
5.直流力矩電機
直流力矩電動機是一種低速、大力矩電機，它能在不需要中間減速機構(gòu)的情況下直接拖動負(fù)載實現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運行，甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無爬行現(xiàn)象，又具有很高的穩(wěn)速精度。因此，特別適用于那些較低速度且又有相當(dāng)負(fù)載能力要求的場合。直流力矩電動機在結(jié)構(gòu)上和普通直流伺服電機相同，但它的定子主磁極數(shù)較多，通常做成扁平結(jié)構(gòu)。下圖為某型四足機器人關(guān)節(jié)所用的一種直流力矩電機。
二、交流伺服電機
交流伺服電機采用交流電源供電，包括：同步型交流伺服電機、異步型交流伺服電機。
交流伺服電機在結(jié)構(gòu)上類似于單相異步電動機，它的定子鐵芯中安放著空間相差90°電角度的兩相繞組，一相稱為勵磁繞組，一相稱為控制繞組。電動機工作時，勵磁繞組接單相交流電壓，控制繞組接控制信號電壓，要求兩相電壓同頻率。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：籠型轉(zhuǎn)子和空心杯形轉(zhuǎn)子。交流伺服電機應(yīng)用于工業(yè)機器人上比較常見，應(yīng)用在移動機器人上的情況相對較少。
1.異步型交流伺服電機
異步型交流伺服電機指的是交流感應(yīng)電機，它有三相和單相之分，也分為鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速。
2.同步型交流伺服電機
同步型交流伺服電機的定子與異步型電機一樣，都是在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。磁滯式和反應(yīng)式同步電機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。永磁式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高，缺點是體積大、啟動特性欠佳。
三、步進(jìn)電機
步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。其結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。步進(jìn)電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動機又稱脈沖電動機。步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差的特點使其在工業(yè)、航天、機器人、精密測量等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機一般用于對精度和速度要求不高的機器人系統(tǒng)。
步進(jìn)電機的工作原理是：當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。
那么該如何選擇合適的電機？
選擇移動機器人的驅(qū)動電機并沒有什么特定的規(guī)律可循，一般而言，選擇什么樣的電機，在很大程度上取決于負(fù)載的物理特性、負(fù)載的工作特性、系統(tǒng)要求以及工作環(huán)境。移動機器人電機的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾點:
（1）選擇電機類型：根據(jù)移動機器人的運行路況性質(zhì)對電機啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、扭矩等的要求選擇電機的類型。
（2）確定電機結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)移動機器人使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、防爆等，確定電機的結(jié)構(gòu)形式。
（3）確定電壓等級：根據(jù)移動機器人電源的電壓、電流等參數(shù)確定電機的電壓等級。
（4）確定電機的輸出扭矩：根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其變化范圍、減速機構(gòu)的減速比確定電機的輸出扭矩。電機連續(xù)扭矩>1.2~1.3倍負(fù)載扭矩。
（5）確定轉(zhuǎn)速范圍：根據(jù)移動機器人的行駛速度、減速機構(gòu)的減速比等性能要求確定電機的轉(zhuǎn)速范圍。
（6）確定電機功率：根據(jù)電機的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速范圍、過載能力等參數(shù)確定電機的額定功率。
（7）校核電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量：負(fù)載慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量的比值應(yīng)小于5:1。
除上述各點外，還要綜合考慮電機運行的可靠性、備品備件的通用性、安裝維修的難易程度以及產(chǎn)品價格、運行費用和維修費用等各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到安全運行和節(jié)約能源的目的。