[课程与套件] 第六课时 执行器 继续讲讲电机

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版主大禹治水
2018-3-29 20:39:14 显示全部楼层

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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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)。
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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。

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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:
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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。

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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。
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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:
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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。

转子位置的检测
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)。
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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。
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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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中士小T
2019-1-22 13:45:55 显示全部楼层
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下士二先生
2019-7-7 10:46:01 显示全部楼层
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上等兵0.0.011
7 天前 显示全部楼层
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