【分享帖】第六课时 执行器 继续讲讲电机
大禹治水
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2018-03-29
众所周知，在生活和生产中，机器人能模仿人类的行为。比如巨型的机械臂机器人可以组装汽车；扫地机器人可以依靠轮式底盘移动，通过转动小扫把来清洁地面。
直流无刷电机
转子位置的检测
总结和应用
工业机械臂
大家对机器人的这些行为已经司空见惯。要让机器人动起来，就需要有动力源驱动它，常见的机器人驱动方式有液压、气动和电动三种。
液压驱动常用于大负载的情形，气压驱动常用于负载小、精度要求低的场景。相比之下，电机的驱动就比较简单、稳定性好，应用也最为广泛，比如机械臂的关节、家用电器的驱动。
风扇里的电机驱动
在机器人的设计过程中，电机是一个极其重要的驱动单元，就好比人类的肌肉和关节。电机将电能转化为机械能，为机器人的运动产生驱动转矩（让机器人动起来），被广泛应用在机器人的关节驱动、轮式底盘驱动等方面。
机器人中的应用
电机有两种供电方式，直流和交流。直流电机可以用锂离子电池之类的直流电源供电，所以在机器人领域被广泛应用。
根据是否带有电刷换向器，又可以将直流电机分为有刷电机和无刷电机。
直流有刷电机直流有刷电机的结构比较简单，通过换向器进行换向。下图中，电流从红色开关流入，经过黄色的转子线圈，从灰色开关流出。通电线圈在磁场中受安培力，开始旋转。
红线为电流、绿线为磁力、蓝线为受力方向
当转到平衡位置时，换向器就会和电源失去连接，但没关系，转子会靠惯性继续转动，转过平衡位置。这时，换向器和电刷的结构会使电流方向发生逆转，线圈产生的磁场方向也随之改变，即完成了一次机械换向的过程。
直流有刷电机原理
但由于电刷和换向器长期互相摩擦，导致机械磨损，因此有刷电机噪音大、寿命短、需要定期维护。而无刷电机的出现恰好解决了这个问题。
有刷电机受磨损
直流无刷电机
直流无刷电机的结构稍复杂一些，它不利用机械换向，而是用电子换相。下图是无刷电机的定子绕组图（中间的转子结构没有画出）。
三相内转子无刷电机
图中的黄色部分是三个线圈绕组，代表三个相，它们的一端在中心相连，另一端分别引出“A”、“B”、“C”三个端子。
如果对三个端子两两通电，那就有 6 种通电情况：A 正 B 负、A 正 C 负、B 正 A 负、B 正 C 负、C 正 A 负、C 正 B 负。
不管什么组合，每一时刻都有两个线圈有电，然后产生磁场。
两个带电线圈产生磁场
如果再按照一定的次序通电，就产生了下图的磁场：
红箭头表示每个线圈产生的磁场，黄箭头表示两个线圈合成的磁场。可以看出，无刷电机是定子绕组产生了旋转的磁场。
那么，转子又在干嘛呢？转子是永磁体，因为异性相吸同性相斥的原理，转子会被定子产生的磁场带动，跟随定子磁场的脚步一起转起来。
转子转动
而每当转子要与定子对齐的时候，我们就换一次相，转子就永远都追不上定子了。想想也是一个伤感的故事。
我们把转子的结构加上，看几个典型的例子：
下图从左往右分别是，三相三绕组一极对、三相六绕组二极对、三相六绕组四极对内转子电机，绕组数就是它的定子中线圈绕组的数量，极对数就是内转子的极对数量。
转子在内部
不仅有“转子在内部”的无刷电机，还有“转子在外部”的无刷电机。虽然转子位置不同，但基本原理是一致的：
转子在外部
它的转子在电机外壳上，电机转动时，内部的线圈绕组不动，外壳和转子转动。因为一般外壳的质量比较大，所以转子的转速较低，电机扭力输出大，航模用得比较多。
电机开始旋转了，但这时候的电机就像一个蒙着眼睛跑步的人，知道自己跑快或跑慢，但假设要精确到 3 米/秒，还是做不到。
这时，我们就需要一个教练在旁边看着，看到他跑了 2 米/秒，就让他再跑快一点。而在电机里，我们只要检测转子的位置，就能清楚地得知电机的转速，进而控制它跑快点还是跑慢点（这也叫速度闭环）。
而且，转子的位置直接影响电子换相，电调就是通过读取转子的位置来决定什么时候换相的。
如何检测转子位置呢？根据电调是否有传感器，分为有感检测和无感检测。有感检测相对简单，利用编码器、霍尔传感器等传感器就可以检测转子的位置。
光电编码器
总结和应用
我们做一个小总结：无刷电机没有电刷换向器结构，不需要定期维护，寿命较长，有刷电机则相反。在实际的应用中，我们可以根据实际需求，综合考虑各方面因素，去选择合适的电机方案和驱动方案。
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