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機器人微型電機選擇重點要（yào）素

2020-1-17 來源：-- 作者：-

在機器（qì）人行業中（zhōng）微（wēi）型電機應用非常多，如（rú）機器人手指關節是通過舵機連接微型（xíng）電機來進行各種動作。機器人常用的幾種微型電機有有刷直流電機（jī）、無刷直流電（diàn）機、永磁同步電機及（jí）步進電機，在常見的機器人產品中，有刷直流電機應用也是比較多的（de），下麵我們來（lái）了解下機器人（rén）微型電機的選擇要素。

一、微型電機的選擇要求

現在市場上有非常多型號的微型直流電機，生產廠家更（gèng）是多不勝數，所以在微型（xíng）電機的選擇過程中性能參數是重點考慮因素，微型（xíng）電（diàn）機具有多條運行特性（xìng）曲線，從機器人產品的角度來看，我們主（zhǔ）要（yào）考慮工作電壓、轉速、轉矩、電（diàn）流、物理參數及其他部件參數

1.工作電壓：微型電機（jī）會存在（zài）多個電壓參數（shù），最常用的為額定電壓，有的微型電機可以在超過額定電壓運行一段時間，但是（shì）不可以長時間運（yùn）行，不（bú）然（rán）還是會發熱燒毀；

2.轉速：微型電機（jī）每分鍾的旋轉速度；

3.轉矩：微型電機旋轉時候的扭力；

4.電流：微型電機有額定電流、空載電流和堵轉電流參數；

5.物理參數：微型電機的尺（chǐ）寸、軸尺寸等

6.其他參數：微型電機的減速箱參數等

行星減（jiǎn）速電機

微（wēi）型直流電機的供電方式是直流電，所以是可以用（yòng）電池供電的，這也是直流電機在機器人（rén）產（chǎn）品及各種電機（jī）產品上應用（yòng）廣泛的原因，微型電機一（yī）般為高速低轉矩運轉，但是機器人產品要求扭矩大，所以需要（yào）在微型電（diàn）機輸出軸之間增加減速器，也叫做齒輪（lún）組或減速機（jī），通過減速器可以增加扭（niǔ）力降低轉速，即轉速越低，扭矩就越大，目前（qián）的機器人微型電（diàn）機（jī）在生產時廠家都會帶減速機，不需要自己再去裝（zhuāng）配，隻要把轉速和扭矩參數給到微型電機生產廠家即可。

微型（xíng）減速電機輸出轉矩高、使用（yòng）簡單、選擇（zé）範（fàn）圍大，但是精度較低，所以在機器（qì）人應用中，需要引入轉速閉環控製，而不可使用開環控製（zhì）。

二、機器人產品微型減速電機（jī）選擇考慮（lǜ）因（yīn）素

1.通用性：微（wēi）型電機的通用性越強，價格就會越便宜；

2.工作電壓：工作電壓範圍在6-20v；

3.輸出轉矩：如0.1-0.5Nm之間的輸出轉矩，可用在20-30kg的（de）機器人產品；

4.轉速：如（rú）機器人產品是通過輪子運動的，需要的轉速較高，並需要可調速。

還有微型減速電（diàn）機（jī）需要可以正反（fǎn）轉，雖然現在（zài）的微型電機都是可（kě）以正反轉的，但是有一些電機隻能單方向（xiàng）旋轉，所以我們要（yào）注（zhù）意（yì）這點參數。

另外，機（jī）器人的運行環境因素也對選擇微型（xíng）電機的選擇也是一個重要（yào）考慮範圍，如室外？室內？光滑地麵？粗超地麵？是否需要爬（pá）坡？等等，像（xiàng）掃地機器人是通過微型電機驅動輪胎（tāi）來進行運動的，所（suǒ）以它的運動（dòng）速度就取決於微型電機的（de）轉速與輪胎的直徑了。而微型電機的旋轉速（sù）度取決於輸入的（de）電壓和負載轉幾乎（hū），在相同的供電電壓（yā）下，靠在轉速一家是高於負載轉速的，所以微型電機出（chū）力越大，它的轉速就會越低，電流也就越大，當輸出力增大到一定程度的時候，微型電機就會定製旋轉了，這個也就會我們參數（shù）中的堵（dǔ）轉，當微型電機電流最大（dà）時，如果電機長時間堵轉將會引起電機溫度上升，嚴重時會造成電機損壞。

下麵為機器人輪胎速度與微型（xíng）電機旋轉速度關係

V=0.02*pi*w*R/60;

其中：V為機器人運行速度(m/s);

w為經過減速器後電機旋轉速度(rpm);R為電機（jī）半徑（jìng）(cm);

假（jiǎ）設我們要求機器人運行平均速度為（wéi）Vavg,那麽要求減速電機轉速為（wéi）：

w=60*Vavg/(0.02*pi*R)

三、微型電機轉矩要求

如果是機器人運行地麵有摩擦（cā）及爬（pá）坡，那麽轉矩的要求就不一樣，假設機器人運行地麵摩擦因數為C,機器人質量為m(kg),此時（shí）機器人在地麵勻速運（yùn）行要求轉矩為（wéi）：

T=0.01Ff*R=0.01C*mg*R;

其中Ff為摩擦力（lì）(N),R為輪胎半徑(cm);

在勻速運動之外，可能我們還會規定機器人的最大爬坡（pō）角度theta以（yǐ）及（jí）要求的（de）最（zuì）大加速（sù）度（dù）a等，此時，可以將兩者等效（xiào）為摩擦，此（cǐ）時：

C=C0+sin(theta)+a/g;

其中，C0為固有的地麵摩（mó）擦係（xì）數，theta為（wéi）最大爬坡（pō）解讀，a為最大加速度，g為重力加速度；

T=0.01CmgR；

上（shàng）述1式和2式即為機器（qì）人電機轉速和（hé）轉矩（jǔ）選擇方（fāng）法。

四、微型電機的運行條件

當（dāng）微型電機（jī）在開始供電時，微（wēi）型電機的軸（zhóu）還沒開始（shǐ）旋轉，這個時候電機是處於堵（dǔ）轉狀態的，微型電機電（diàn）流最大為iS，所產生（shēng）的轉矩也最大，所以微型電機開始旋轉，隨著電機的轉速上升，因微型電（diàn）機反電（diàn）勢增大，微型電機電流下降、轉矩下降（jiàng）電機轉矩（jǔ）與（yǔ）負載（zǎi）轉矩相等時，電（diàn）機達到平衡狀態，即為平衡狀態電機轉（zhuǎn）速。

在（zài）機器（qì）人中，負載轉矩主（zhǔ）要包括摩擦、爬坡（pō）、加速等因素，在多（duō）人還（hái）是比較關心微型電機在不同負載條件下所能達到的最（zuì）高轉速。比如在空（kōng）載條件下微型電機能達到的最大轉速，空載轉速為w0；在負載條件（jiàn）下，微型電機（jī）堵轉時所能產生的轉速（sù）為最大（dà）轉矩，堵（dǔ）轉轉矩為Ts，在其他條件（jiàn）下，微型電機運行在兩者之間的線性連線（xiàn）上，如果負載（zǎi）為T，那麽此時，微型電機的最高轉速為w=w0×（1-T÷Ts）

假如微（wēi）型電機最高轉速為w，那麽微型電（diàn）機所能產生的最大轉矩為T=Ts×(1=w÷w0)

微型電機性能曲線圖

上圖為（wéi）微型電機的最大轉速與最大轉矩、轉矩與（yǔ）電流之間的線性關（guān）係

微型電機空載最高轉速為w0，空載電流為i0，隨（suí）著（zhe）負載轉矩的增大，微型電機的轉速便線性下（xià）降，電流增大，直到負載轉矩達到最大（dà）轉（zhuǎn）矩，微型電機堵轉，在微型電機轉矩為T時，電（diàn）機的電流（liú）為i=i0+(is-i0)×T÷Ts

其中i0為空載電流（liú），is為堵轉電流，Ts為堵轉轉矩

所以在選擇機器人微（wēi）型電機時我們需（xū）要（yào）考慮微型電機的運行電壓、空載轉速、一定轉矩下（xià）的轉速、一定轉矩下的電流這電流表因素

1. 微型（xíng）電（diàn）機的運（yùn）行電壓：前現我們講過大部分機器人（rén）產品微型電機的運行電壓在（zài）6~24V，對於小型機器人來說一般使用的是鎳氫電池，電（diàn）壓在3.6~48不等，對於12V的微型電機（jī）一（yī）般使用7.2V或者9.6V供電；

2. 微型電機的轉速：一般選擇在額定（dìng）電壓和額定轉矩下所能滿足條件的微型（xíng）電機轉速，假如是輪（lún）胎（tāi）尺寸為（wéi）5-20cm的機器人來說，微型電機（jī）的轉速40-300rpm就足夠了；

3.微型電機的轉矩：對於微（wēi）型電機的轉矩我們一般（bān）計算的基礎上留有50%的裕量；另外，如果電機數量多於一個（gè），一般（bān）可以對電機轉矩要（yào）求（qiú）除以相應的數量。

4.微型電機的電流（liú）：微型電機的電流決定著機器人的運行時間（jiān），一（yī）般（bān）是（shì）根據微型電機的電流數據就可以大概評估其應用範（fàn）圍，如0.01A的微型電機，就適（shì）合於大多數機（jī）器人人產品；

還有一個（gè）尺寸問題，設計機器人產品時要確保微型電機能夠安裝

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