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理论原理

移动机器人技术漫谈(四):驱动电机及驱动系统

伺服电机(又称执行电机)在移动机器人系统中用作执行元件,它把所接收到的控制信号(如电压、电流、脉冲等)转换成电机输出轴上的角位移、角速度或扭矩输出。

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发布于 2周前 阅读:112

       伺服电机(又称执行电机)在移动机器人系统中用作执行元件,它把所接收到的控制信号(如电压、电流、脉冲等)转换成电机输出轴上的角位移、角速度或扭矩输出。驱动电机的结构一般包括:机座、外壳、前后端盖、定子组件、转子组件、铁芯、绝缘绕组、电机转轴、轴承、换向器、编码器、抱闸装置等。

1电机的结构组成.jpg

图1  驱动电机

       移动机器人常用的驱动电机主要有:直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机。

  • 直流伺服电机

       直流伺服电机采用直流电源供电,包括:普通直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯电枢直流伺服电机、无槽电枢直流伺服电机、直流力矩电机等。

  • 交流伺服电机

       交流伺服电机采用交流电源供电,包括:同步型交流伺服电机、异步型交流伺服电机。

  • 步进电机

       步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种,按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。

一、直流伺服电机

       直流伺服电机的基本工作原理与普通直流电机完全相同,即通过电枢电流和气隙磁通量的作用产生电磁转矩,从而使直流伺服电机定子旋转。直流伺服电机通常采用电枢控制方法,即在保持励磁电压不变的情况下,通过改变电枢电压来调节速度:电枢电压越小,转速越低;电枢电压为零时,电动机停止。

       移动机器人一般自身携带电池,因此采用的驱动电机也以直流伺服电机为主。当直流伺服电机的电压与电池电压不一致时,需要借助电源转换模块(DC-DC)实现二者之间的适配。

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图2  直流伺服电机结构

  • 普通直流伺服电机

       普通直流伺服电机的定子为电磁式或永磁式,转子由带槽的铁心和嵌放于槽中的电枢绕组构成。普通直流伺服电机具有较强的负载能力,较大的堵转转矩,但由于转子结构复杂、体积较大,使得该电动机的机械惯性较大,低速时运行平稳性较差,控制死区较大。

  • 盘形电枢直流伺服电机

       盘形电枢直流伺服电机的定子为永磁式,转子为一圆盘结构,电枢有线绕式(线绕盘式)和印刷电路式(印刷盘式)之分。该电动机结构简单、体积小、转子重量轻,转子的机械惯性小,但堵转转矩小。线绕盘式电动机容量可达数千瓦,印刷盘式的容量小一些。

  • 空心杯电枢直流伺服电机

       空心杯电枢直流伺服电机的定子为永磁式,转子以一空心杯构体为骨架,其杯壁上放置(或印制)电枢绕组。其电枢绕组可以是绕线式绕组也可以是印刷式绕组。这种伺服电机以机械惯性极小著称,控制灵敏度高,几乎无控制死区,其体积可做得非常小且重量轻。但堵转转矩较小,目前它的容量还不能做得很大,是一种微型伺服电机。

  • 无槽电枢直流伺服电机

       无槽电枢直流伺服电机与普通直流伺服电机的唯一区别是它的转子铁心不开槽,电枢绕组固定胶粘贴在电枢表面。这种伺服电机具有较大的负载能力,较大的堵转转矩,电动机容量可以做的较大,低速平稳性好。

  • 直流力矩电机

       直流力矩电动机是一种低速、大力矩电机,它能在不需要中间减速机构的情况下直接拖动负载实现低速大力矩的平稳运行,甚至可以工作在堵转情况下且无爬行现象,又具有很高的稳速精度。因此,特别适用于那些常用于较低速度且又有相当负载能力要求的场合。直流力矩电动机在结构上和普通直流伺服电机相同,但它的定子主磁极数较多,通常做成扁平结构。下图为某型四足机器人关节所用的一种直流力矩电机。

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图3  直流力矩电机


二、交流伺服电机

       交流伺服电机在结构上类似于单相异步电动机,它的定子铁芯中安放着空间相差90°电角度的两相绕组,一相称为励磁绕组,一相称为控制绕组。电动机工作时,励磁绕组接单相交流电压,控制绕组接控制信号电压,要求两相电压同频率。交流伺服电机的转子有两种结构形式:笼型转子和空心杯形转子。交流伺服电机应用于工业机器人上比较常见,应用在移动机器人上的情况相对较少。

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图4  交流伺服电机结构

  • 异步型交流伺服电机

       异步型交流伺服电机指的是交流感应电机,它有三相和单相之分,也有鼠笼式和线绕式,通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单,与同容量的直流电动机相比,质量轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速。

  • 同步型交流伺服电机

       同步型交流伺服电机的定子与异步型电机一样,都是在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同,按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高,缺点是体积大、启动特性欠佳。

三、步进电机

       步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号,转子就转动一个角度或前进一步,其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。因此,步进电动机又称脉冲电动机。步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点使其在工业、航天、机器人、精密测量等领域获得广泛应用。步进电机一般用于对精度和速度要求不高的机器人系统。

       步进电机的工作原理是:当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

       步进电动机的结构形式和分类方法较多,一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种;按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系,步进电机控制系统从其控制方式来看,可以分为以下三类:开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。

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图5  步进电机结构

四、驱动电机的选型

       选择移动机器人的驱动电机并没有什么特定的规律可循,一般而言,选择什么样的电机,在很大程度上取决于移动机器人的工作环境、性能要求、物理特性。移动机器人电机的选择应综合考虑以下几点:

  • 选择电机类型:根据移动机器人的运行路况性质对电机启动、制动、反转、调速、扭矩等的要求选择电机的类型。

  • 确定电机结构形式:根据移动机器人使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、防爆等,确定电机的结构形式。

  • 确定电压等级:根据移动机器人电源的电压、电流等参数,确定电机的电压等级。

  • 确定电机的输出扭矩:根据负载转矩及其变化范围、减速机构的减速比等确定电机的输出扭矩。电机连续扭矩>1.2~1.3倍负载扭矩。

  • 确定转速范围:根据移动机器人的行驶速度、减速机构的减速比等性能要求确定电机的转速范围。

  • 确定电机功率:根据电机的输出扭矩、转速范围、过载能力等参数,确定电机的额定功率。

  • 校核电机转子转动惯量:负载惯量与电机转子惯量的比值应小于5:1。

       除上述各点外。还要综合考虑电机运行的可靠性、备品备件的通用性、安装维修的难易程度、以及产品价格、运行费用和维修费用等各项经济指标,达到安全运行和节约能源的目的。

五、电机驱动系统

       现有移动机器人大多通过电机来驱动整个系统。

       以双轮差速驱动的移动机器人为例,其电气驱动原理一般如图6所示。这种将伺服电机与减速器结合的驱动方式使得车轮的转速是在电机转速经过了减速器的减速比得到的,由于增加了机械传动中间过渡环节的损耗,使得整个系统传动效率降低。此外,由于伺服驱动电机占用了车体内部很大的空间,使得其他零部件在车轮轴向的布置变得困难,而且拆装、维修也不方便。

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图6  步进电机结构

       新型电气驱动系统采用了轮毂式电机代替以往的驱动电机,其工作原理如图2所示,由于轮毂式电机的转子是线圈外转子,这样轮毂电机就将转矩直接传递给车轮,避免了机械传动过程中能量的损耗,同时使得车轮内部元器件布置的自由度曾加,减轻了车轮总成的质量。

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图7  步进电机结构



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他很懒,什么都没有留下~