機(jī)器人微型電機(jī)選擇重點要素
2020-1-17 來源：-- 作者：-
在機(jī)器人行業(yè)中微型電機(jī)應(yīng)用非常多，如機(jī)器人手指關(guān)節(jié)是通過舵機(jī)連接微型電機(jī)來進(jìn)行各種動作。機(jī)器人常用的幾種微型電機(jī)有有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)，在常見的機(jī)器人產(chǎn)品中，有刷直流電機(jī)應(yīng)用也是比較多的，下面我們來了解下機(jī)器人微型電機(jī)的選擇要素。
一、微型電機(jī)的選擇要求
現(xiàn)在市場上有非常多型號的微型直流電機(jī)，生產(chǎn)廠家更是多不勝數(shù)，所以在微型電機(jī)的選擇過程中性能參數(shù)是重點考慮因素，微型電機(jī)具有多條運行特性曲線，從機(jī)器人產(chǎn)品的角度來看，我們主要考慮工作電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、物理參數(shù)及其他部件參數(shù)
1.工作電壓：微型電機(jī)會存在多個電壓參數(shù)，最常用的為額定電壓，有的微型電機(jī)可以在超過額定電壓運行一段時間，但是不可以長時間運行，不然還是會發(fā)熱燒毀；
2.轉(zhuǎn)速：微型電機(jī)每分鐘的旋轉(zhuǎn)速度；
3.轉(zhuǎn)矩：微型電機(jī)旋轉(zhuǎn)時候的扭力；
4.電流：微型電機(jī)有額定電流、空載電流和堵轉(zhuǎn)電流參數(shù)；
5.物理參數(shù)：微型電機(jī)的尺寸、軸尺寸等
6.其他參數(shù)：微型電機(jī)的減速箱參數(shù)等
行星減速電機(jī)
微型直流電機(jī)的供電方式是直流電，所以是可以用電池供電的，這也是直流電機(jī)在機(jī)器人產(chǎn)品及各種電機(jī)產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛的原因，微型電機(jī)一般為高速低轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)，但是機(jī)器人產(chǎn)品要求扭矩大，所以需要在微型電機(jī)輸出軸之間增加減速器，也叫做齒輪組或減速機(jī)，通過減速器可以增加扭力降低轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速越低，扭矩就越大，目前的機(jī)器人微型電機(jī)在生產(chǎn)時廠家都會帶減速機(jī)，不需要自己再去裝配，只要把轉(zhuǎn)速和扭矩參數(shù)給到微型電機(jī)生產(chǎn)廠家即可。
微型減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩高、使用簡單、選擇范圍大，但是精度較低，所以在機(jī)器人應(yīng)用中，需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而不可使用開環(huán)控制。
二、機(jī)器人產(chǎn)品微型減速電機(jī)選擇考慮因素
1.通用性：微型電機(jī)的通用性越強(qiáng)，價格就會越便宜；
2.工作電壓：工作電壓范圍在6-20v；
3.輸出轉(zhuǎn)矩：如0.1-0.5Nm之間的輸出轉(zhuǎn)矩，可用在20-30kg的機(jī)器人產(chǎn)品；
4.轉(zhuǎn)速：如機(jī)器人產(chǎn)品是通過輪子運動的，需要的轉(zhuǎn)速較高，并需要可調(diào)速。
還有微型減速電機(jī)需要可以正反轉(zhuǎn)，雖然現(xiàn)在的微型電機(jī)都是可以正反轉(zhuǎn)的，但是有一些電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)，所以我們要注意這點參數(shù)。
另外，機(jī)器人的運行環(huán)境因素也對選擇微型電機(jī)的選擇也是一個重要考慮范圍，如室外？室內(nèi)？光滑地面？粗超地面？是否需要爬坡？等等，像掃地機(jī)器人是通過微型電機(jī)驅(qū)動輪胎來進(jìn)行運動的，所以它的運動速度就取決于微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輪胎的直徑了。而微型電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于輸入的電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)幾乎，在相同的供電電壓下，靠在轉(zhuǎn)速一家是高于負(fù)載轉(zhuǎn)速的，所以微型電機(jī)出力越大，它的轉(zhuǎn)速就會越低，電流也就越大，當(dāng)輸出力增大到一定程度的時候，微型電機(jī)就會定制旋轉(zhuǎn)了，這個也就會我們參數(shù)中的堵轉(zhuǎn)，當(dāng)微型電機(jī)電流最大時，如果電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)將會引起電機(jī)溫度上升，嚴(yán)重時會造成電機(jī)損壞。
下面為機(jī)器人輪胎速度與微型電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系
V=0.02*pi*w*R/60;
其中：V為機(jī)器人運行速度(m/s);
w為經(jīng)過減速器后電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度(rpm);R為電機(jī)半徑(cm);
假設(shè)我們要求機(jī)器人運行平均速度為Vavg,那么要求減速電機(jī)轉(zhuǎn)速為：
w=60*Vavg/(0.02*pi*R)
三、微型電機(jī)轉(zhuǎn)矩要求
如果是機(jī)器人運行地面有摩擦及爬坡，那么轉(zhuǎn)矩的要求就不一樣，假設(shè)機(jī)器人運行地面摩擦因數(shù)為C,機(jī)器人質(zhì)量為m(kg),此時機(jī)器人在地面勻速運行要求轉(zhuǎn)矩為：
T=0.01Ff*R=0.01C*mg*R;
其中Ff為摩擦力(N),R為輪胎半徑(cm);
在勻速運動之外，可能我們還會規(guī)定機(jī)器人的最大爬坡角度theta以及要求的最大加速度a等，此時，可以將兩者等效為摩擦，此時：
C=C0+sin(theta)+a/g;
其中，C0為固有的地面摩擦系數(shù)，theta為最大爬坡解讀，a為最大加速度，g為重力加速度；
T=0.01CmgR；
上述1式和2式即為機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇方法。
四、微型電機(jī)的運行條件
當(dāng)微型電機(jī)在開始供電時，微型電機(jī)的軸還沒開始旋轉(zhuǎn)，這個時候電機(jī)是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的，微型電機(jī)電流最大為iS，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也最大，所以微型電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，因微型電機(jī)反電勢增大，微型電機(jī)電流下降、轉(zhuǎn)矩下降電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時，電機(jī)達(dá)到平衡狀態(tài)，即為平衡狀態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
在機(jī)器人中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要包括摩擦、爬坡、加速等因素，在多人還是比較關(guān)心微型電機(jī)在不同負(fù)載條件下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。比如在空載條件下微型電機(jī)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，空載轉(zhuǎn)速為w0；在負(fù)載條件下，微型電機(jī)堵轉(zhuǎn)時所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為Ts，在其他條件下，微型電機(jī)運行在兩者之間的線性連線上，如果負(fù)載為T，那么此時，微型電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為w=w0×（1-T÷Ts）
假如微型電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為w，那么微型電機(jī)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩為T=Ts×(1=w÷w0)
微型電機(jī)性能曲線圖
上圖為微型電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩與電流之間的線性關(guān)系
微型電機(jī)空載最高轉(zhuǎn)速為w0，空載電流為i0，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速便線性下降，電流增大，直到負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，微型電機(jī)堵轉(zhuǎn)，在微型電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T時，電機(jī)的電流為i=i0+(is-i0)×T÷Ts
其中i0為空載電流，is為堵轉(zhuǎn)電流，Ts為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
所以在選擇機(jī)器人微型電機(jī)時我們需要考慮微型電機(jī)的運行電壓、空載轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的電流這電流表因素
1. 微型電機(jī)的運行電壓：前現(xiàn)我們講過大部分機(jī)器人產(chǎn)品微型電機(jī)的運行電壓在6~24V，對于小型機(jī)器人來說一般使用的是鎳氫電池，電壓在3.6~48不等，對于12V的微型電機(jī)一般使用7.2V或者9.6V供電；
2. 微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速：一般選擇在額定電壓和額定轉(zhuǎn)矩下所能滿足條件的微型電機(jī)轉(zhuǎn)速，假如是輪胎尺寸為5-20cm的機(jī)器人來說，微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速40-300rpm就足夠了；
3.微型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩：對于微型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩我們一般計算的基礎(chǔ)上留有50%的裕量；另外，如果電機(jī)數(shù)量多于一個，一般可以對電機(jī)轉(zhuǎn)矩要求除以相應(yīng)的數(shù)量。
4.微型電機(jī)的電流：微型電機(jī)的電流決定著機(jī)器人的運行時間，一般是根據(jù)微型電機(jī)的電流數(shù)據(jù)就可以大概評估其應(yīng)用范圍，如0.01A的微型電機(jī)，就適合于大多數(shù)機(jī)器人人產(chǎn)品；
還有一個尺寸問題，設(shè)計機(jī)器人產(chǎn)品時要確保微型電機(jī)能夠安裝
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