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                  理論原理

                  移動機器人技術漫談(四):驅動電機及驅動系統

                  伺服電機(又稱執行電機)在移動機器人系統中用作執行元件,它把所接收到的控制信號(如電壓、電流、脈沖等)轉換成電機輸出軸上的角位移、角速度或扭矩輸出。

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                  發布于 4個月前 閱讀:756

                         伺服電機(又稱執行電機)在移動機器人系統中用作執行元件,它把所接收到的控制信號(如電壓、電流、脈沖等)轉換成電機輸出軸上的角位移、角速度或扭矩輸出。驅動電機的結構一般包括:機座、外殼、前后端蓋、定子組件、轉子組件、鐵芯、絕緣繞組、電機轉軸、軸承、換向器、編碼器、抱閘裝置等。

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                  圖1  驅動電機

                         移動機器人常用的驅動電機主要有:直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機。

                  • 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。

                  • 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。

                  • 步進電機

                         步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種,按相數可分為單相、兩相、三相和多相等形式。

                  一、直流伺服電機

                         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生電磁轉矩,從而使直流伺服電機定子旋轉。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節速度:電樞電壓越小,轉速越低;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,因此采用的驅動電機也以直流伺服電機為主。當直流伺服電機的電壓與電池電壓不一致時,需要借助電源轉換模塊(DC-DC)實現二者之間的適配。

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                  圖2  直流伺服電機結構

                  • 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,轉子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構成。普通直流伺服電機具有較強的負載能力,較大的堵轉轉矩,但由于轉子結構復雜、體積較大,使得該電動機的機械慣性較大,低速時運行平穩性較差,控制死區較大。

                  • 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,轉子為一圓盤結構,電樞有線繞式(線繞盤式)和印刷電路式(印刷盤式)之分。該電動機結構簡單、體積小、轉子重量輕,轉子的機械慣性小,但堵轉轉矩小。線繞盤式電動機容量可達數千瓦,印刷盤式的容量小一些。

                  • 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,轉子以一空心杯構體為骨架,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,其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉轉矩較小,目前它的容量還不能做得很大,是一種微型伺服電機。

                  • 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別是它的轉子鐵心不開槽,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載能力,較大的堵轉轉矩,電動機容量可以做的較大,低速平穩性好。

                  • 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的情況下直接拖動負載實現低速大力矩的平穩運行,甚至可以工作在堵轉情況下且無爬行現象,又具有很高的穩速精度。因此,特別適用于那些常用于較低速度且又有相當負載能力要求的場合。直流力矩電動機在結構上和普通直流伺服電機相同,但它的定子主磁極數較多,通常做成扁平結構。下圖為某型四足機器人關節所用的一種直流力矩電機。

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                  圖3  直流力矩電機


                  二、交流伺服電機

                         交流伺服電機在結構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。交流伺服電機的轉子有兩種結構形式:籠型轉子和空心杯形轉子。交流伺服電機應用于工業機器人上比較常見,應用在移動機器人上的情況相對較少。

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                  圖4  交流伺服電機結構

                  • 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電機,它有三相和單相之分,也有鼠籠式和線繞式,通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單,與同容量的直流電動機相比,質量輕1/2,價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經濟地實現范圍很廣的平滑調速。

                  • 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。而轉子卻不同,按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。磁滯式和反應式同步電機存在效率低、功率因數較差、制造容量不大等缺點。永磁式優點是結構簡單、運行可靠、效率較高,缺點是體積大、啟動特性欠佳。

                  三、步進電機

                         步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號,轉子就轉動一個角度或前進一步,其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比,轉速與脈沖頻率成正比。因此,步進電動機又稱脈沖電動機。步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差的特點使其在工業、航天、機器人、精密測量等領域獲得廣泛應用。步進電機一般用于對精度和速度要求不高的機器人系統。

                         步進電機的工作原理是:當電流流過定子繞組時,定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度,使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖,電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比,轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序,電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

                         步進電動機的結構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;按相數可分為單相、兩相、三相和多相等形式。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系,步進電機控制系統從其控制方式來看,可以分為以下三類:開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。

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                  圖5  步進電機結構

                  四、驅動電機的選型

                         選擇移動機器人的驅動電機并沒有什么特定的規律可循,一般而言,選擇什么樣的電機,在很大程度上取決于移動機器人的工作環境、性能要求、物理特性。移動機器人電機的選擇應綜合考慮以下幾點:

                  • 選擇電機類型:根據移動機器人的運行路況性質對電機啟動、制動、反轉、調速、扭矩等的要求選擇電機的類型。

                  • 確定電機結構形式:根據移動機器人使用場所的環境條件,如溫度、濕度、灰塵、雨水、防爆等,確定電機的結構形式。

                  • 確定電壓等級:根據移動機器人電源的電壓、電流等參數,確定電機的電壓等級。

                  • 確定電機的輸出扭矩:根據負載轉矩及其變化范圍、減速機構的減速比等確定電機的輸出扭矩。電機連續扭矩>1.2~1.3倍負載扭矩。

                  • 確定轉速范圍:根據移動機器人的行駛速度、減速機構的減速比等性能要求確定電機的轉速范圍。

                  • 確定電機功率:根據電機的輸出扭矩、轉速范圍、過載能力等參數,確定電機的額定功率。

                  • 校核電機轉子轉動慣量:負載慣量與電機轉子慣量的比值應小于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、以及產品價格、運行費用和維修費用等各項經濟指標,達到安全運行和節約能源的目的。

                  五、電機驅動系統

                         現有移動機器人大多通過電機來驅動整個系統。

                         以雙輪差速驅動的移動機器人為例,其電氣驅動原理一般如圖6所示。這種將伺服電機與減速器結合的驅動方式使得車輪的轉速是在電機轉速經過了減速器的減速比得到的,由于增加了機械傳動中間過渡環節的損耗,使得整個系統傳動效率降低。此外,由于伺服驅動電機占用了車體內部很大的空間,使得其他零部件在車輪軸向的布置變得困難,而且拆裝、維修也不方便。

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                  圖6  步進電機結構

                         新型電氣驅動系統采用了輪轂式電機代替以往的驅動電機,其工作原理如圖2所示,由于輪轂式電機的轉子是線圈外轉子,這樣輪轂電機就將轉矩直接傳遞給車輪,避免了機械傳動過程中能量的損耗,同時使得車輪內部元器件布置的自由度曾加,減輕了車輪總成的質量。

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                  圖7  步進電機結構



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                  他很懶,什么都沒有留下~