在移動(dòng)機(jī)器人中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能是在控制信號(hào)(如電壓、電流、脈沖等)的作用下將電能變換成電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移、角速度或扭矩進(jìn)行機(jī)械能的輸出。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)一般包括:機(jī)座、外殼、前后端蓋、定子組件、轉(zhuǎn)子組件、鐵芯、絕緣繞組、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、軸承、換向器、編碼器、抱閘裝置等。移動(dòng)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有:直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。下面,為大家逐一詳細(xì)介紹:
一、直流伺服電機(jī)
直流伺服電機(jī)采用直流電源供電,包括:普通直流伺服電機(jī)、盤形電樞直流伺服電機(jī)、空心杯電樞直流伺服電機(jī)、無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)、直流力矩電機(jī)等。
直流伺服電機(jī)的基本工作原理與普通直流電機(jī)完全相同,即通過(guò)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(jī)定子旋轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)通常采用電樞控制方法,即在保持勵(lì)磁電壓不變的情況下,通過(guò)改變電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)速度:電樞電壓越小,轉(zhuǎn)速越低;電樞電壓為零時(shí),電動(dòng)機(jī)停止。
移動(dòng)機(jī)器人一般自身攜帶電池,因此采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也以直流伺服電機(jī)為主。當(dāng)直流伺服電機(jī)的電壓與電池電壓不一致時(shí),需要借助電源轉(zhuǎn)換模塊(DC-DC)實(shí)現(xiàn)二者之間的適配。
1.普通直流伺服電機(jī)
普通直流伺服電機(jī)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(jī)具有較強(qiáng)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(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性較大,低速時(shí)運(yùn)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(jī)
盤形電樞直流伺服電機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕,轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性小,但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動(dòng)機(jī)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(jī)
空心杯電樞直流伺服電機(jī)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(jī)以機(jī)械慣性極小著稱,控制靈敏度高,幾乎無(wú)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(jī)。
4.無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)
無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)與普通直流伺服電機(jī)的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)子鐵心不開(kāi)槽,電樞繞組固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電機(jī)具有較大的負(fù)載能力,較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)容量可以做的較大,低速平穩(wěn)性好。
5.直流力矩電機(jī)
直流力矩電動(dòng)機(jī)是一種低速、大力矩電機(jī),它能在不需要中間減速機(jī)構(gòu)的情況下直接拖動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運(yùn)行,甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無(wú)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(chǎng)合。直流力矩電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上和普通直流伺服電機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)所用的一種直流力矩電機(jī)。
二、交流伺服電機(jī)
交流伺服電機(jī)采用交流電源供電,包括:同步型交流伺服電機(jī)、異步型交流伺服電機(jī)。
交流伺服電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于單相異步電動(dòng)機(jī),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(lì)磁繞組,一相稱為控制繞組。電動(dòng)機(jī)工作時(shí),勵(lì)磁繞組接單相交流電壓,控制繞組接控制信號(hào)電壓,要求兩相電壓同頻率。交流伺服電機(jī)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(jī)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人上比較常見(jiàn),應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人上的情況相對(duì)較少。
1.異步型交流伺服電機(jī)
異步型交流伺服電機(jī)指的是交流感應(yīng)電機(jī),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(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比,質(zhì)量輕1/2,價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速。
2.同步型交流伺服電機(jī)
同步型交流伺服電機(jī)的定子與異步型電機(jī)一樣,都是在定子上裝有對(duì)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(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高,缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。
三、步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多,一般按勵(lì)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(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系,步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來(lái)看,可以分為以下三類:開(kāi)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(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào),轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差的特點(diǎn)使其在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密測(cè)量等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)一般用于對(duì)精度和速度要求不高的機(jī)器人系統(tǒng)。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理是:當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí),定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
那么該如何選擇合適的電機(jī)?
選擇移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)并沒(méi)有什么特定的規(guī)律可循,一般而言,選擇什么樣的電機(jī),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(dòng)機(jī)器人電機(jī)的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn):
(1)選擇電機(jī)類型:根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行路況性質(zhì)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、扭矩等的要求選擇電機(jī)的類型。
(2)確定電機(jī)結(jié)構(gòu)形式:根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人使用場(chǎng)所的環(huán)境條件,如溫度、濕度、灰塵、雨水、防爆等,確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
(3)確定電壓等級(jí):根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人電源的電壓、電流等參數(shù)確定電機(jī)的電壓等級(jí)。
(4)確定電機(jī)的輸出扭矩:根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其變化范圍、減速機(jī)構(gòu)的減速比確定電機(jī)的輸出扭矩。電機(jī)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(dòng)機(jī)器人的行駛速度、減速機(jī)構(gòu)的減速比等性能要求確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。
(6)確定電機(jī)功率:根據(jù)電機(jī)的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速范圍、過(guò)載能力等參數(shù)確定電機(jī)的額定功率。
(7)校核電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的比值應(yīng)小于5:1。
除上述各點(diǎn)外,還要綜合考慮電機(jī)運(yùn)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(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),達(dá)到安全運(yùn)行和節(jié)約能源的目的。