一文搞懂怎样选择适合机器人的电机

[导读]电机的选择实质上是对电机性能与价格的权衡。因此，在挑选过程中，我们需要全面考量电机的各项参数，筛选出对我们至关重要的参数，并结合实际需求，做出明智的选择。

选择适合机器人的电机需要考虑以下几个关键因素‌：

‌电机类型‌：机器人常用的电机类型包括直流伺服电机和步进电机。直流伺服电机因其高精度、快速响应和强可控性，适用于机器人的关节运动控制和定位‌。步进电机则适用于需要精确控制步进数的应用场景‌。

‌性能参数‌：

‌扭矩与转速‌：扭矩决定了电机能够产生的旋转力，转速则反映了电机的运行速度。选择时需确保电机的扭矩和转速能够满足负载要求，同时考虑减速机的减速比，以匹配最终所需的输出扭矩和速度‌。

‌动态响应‌：快速响应的电机能够更快地跟踪指令变化，适用于需要高精度定位或快速启动/停止的应用‌。

‌精度与分辨率‌：高精度和高分辨率的电机更适合精密加工、机器人控制等应用‌。

‌热管理与效率‌：高效电机能有效减少能量损失，降低发热量，延长使用寿命‌。

‌控制方式‌：机器人通常需要配合专用的驱动器或控制器使用。因此，在选择电机时还需考虑其控制系统是否与现有的自动化系统兼容‌。

‌其他考虑因素‌：

‌工作电压‌：电机的额定电压需适应机器人的供电系统‌3。

‌物理参数‌：包括电机尺寸、轴尺寸、截面尺寸和固定孔位置等，这些参数直接影响电机的安装和使用‌。

‌其他部件‌：某些电机还配备了编码器、制动器、齿轮箱和基座等部件，这些对于提升电机的性能和使用便捷性具有重要意义‌。

在机器人技术中，电机作为驱动机构的核心部件，其选择对于机器人的性能和成本至关重要。根据应用场景和需求，电机类型可分为有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机以及步进电机等。在中小型机器人领域，尤其是尺寸介于15cm至30cm的范围内，直流电机及其无刷版本因价格亲民和定位精度高而受到广泛青睐。本文将聚焦于探讨如何选择适合这类机器人的直流电机。

01 电机要求

【直流电机概览】

市场上直流电机种类繁多，国内就有众多生产厂家，更别提日本、德国等电机制造强国。尽管每个小型的直流电机都蕴含着复杂的内部结构和丰富的产品资料，但我们将从机器人技术的视角来探讨其对电机性能的特定需求。

电机的选择实质上是对电机性能与价格的权衡。因此，在挑选过程中，我们需要全面考量电机的各项参数，筛选出对我们至关重要的参数，并结合实际需求，做出明智的选择。

对于机器人驱动而言，我们主要关注电机的以下特性：

a) 工作电压：电机可能拥有多个电压参数，其中最常用的是连续运行时的额定电压。值得注意的是，某些电机可以在额定电压以上以超出额定转速和转矩的方式短暂运行，但长期运行可能导致局部过热。因此，部分过电压仅适用于短时运行，不适宜长期使用。

b) 转速：表示电机旋转速度的指标，通常以转每分钟为单位，有时也用弧度每秒或角度每秒来衡量。

c) 转矩：电机改变旋转速度的能力。在机器人领域，转矩对于驱动机器人移动或使机械臂执行各种动作至关重要。转矩的计算基于力和力臂的乘积，其单位为Nm。

d) 电流：电机涉及多个电流参数，如空载电流、额定电流以及堵转电流等。

e) 物理参数：包括电机尺寸、轴尺寸、截面尺寸和固定孔位置等，这些参数直接影响电机的安装和使用。

f) 其他部件：某些电机还配备了编码器、制动器、齿轮箱和基座等部件，这些部件对于提升电机的性能和使用便捷性具有重要意义。

【直流减速电机】

显而易见，直流电机因供电电流为直流而能够使用电池进行供电，这一特性使其在机器人领域得到广泛应用。尽管小型直流电机在尺寸上可能有所不同，但它们的基本参数通常保持一致。通过改变供电电压的符号，可以轻松地改变直流电机的旋转方向。

然而，小型直流电机通常在高速低转矩范围内运行，这与机器人技术中的电机驱动需求相矛盾。机器人通常需要在低速大转矩范围内运行。为了解决这一问题，通常会在电机与输出轴之间增加减速器，以降低电机转速并提高输出转矩。

市面上的许多直流电机出厂时已配备减速器，因此被称为直流减速电机。这种电机具有使用简单、输出转矩高、转速低和选择范围广等优势。但值得注意的是，即使来自同一厂家的减速电机在施加相同电压或电流时，其输出也可能有所不同，这降低了其精度。因此，在机器人应用中，通常需要引入转速闭环控制来确保对减速电机的精确控制。

通过上述产品介绍，我们可以获取到减速电机的详细参数，如减速比、额定电压、额定转速等。在进一步探讨减速电机之前，我们需先明确机器人在不同运行环境下的电机参数需求。

首先，要了解机器人的运行环境，例如室内还是室外、地面状况如何、是否需要爬坡等。其次，要确定机器人的机械参数，如尺寸和重量。接着，需要明确机器人运行的关键参数，如运行速度和所需转矩。

电机通过驱动轮胎来推动机器人运动。机器人的运动速度主要受电机转速和轮胎直径的影响。而电机的转速则取决于输入电压和负载转矩。在相同电压条件下，空载时的电机转速会高于负载时的转速。此外，电机出力越大，转速越低，电流也越大。当出力达到一定程度时，电机可能会停止旋转，即发生堵转。此时，电机电流达到最大值，长时间堵转可能导致电机过热甚至损坏。

机器人轮胎的速度与电机转速之间存在以下关系：

V = 02 * π * w * R / 60;

其中，V代表机器人运行速度(m/s)，w是经过减速器后的电机转速(rpm)，R是电机半径(cm)。假设我们需要机器人以平均速度Vavg运行，那么可以根据上述公式计算出所需的减速电机转速。

同时，电机转矩的需求主要与地面摩擦和坡度有关。假设机器人运行地面的摩擦因数为C，机器人的质量为m(kg)，那么机器人在地面上匀速运行时所需的转矩为：

在机器人的运行过程中，电机的转速和转矩选择至关重要。为了确定这些参数，我们需要考虑多个因素，包括地面的摩擦、坡度、以及机器人的最大爬坡角度和最大加速度等。这些因素都可以通过摩擦系数C来综合反映。

具体来说，摩擦系数C包含了固有的地面摩擦系数C最大爬坡角度theta的正弦值以及最大加速度a与重力加速度g的比值。基于这个摩擦系数C，我们可以计算出机器人匀速运动时所需的转矩T，即T=01CmgR。

此外，电机的运行条件也值得关注。在电机刚开始供电时，由于电机轴尚未开始旋转，电机处于堵转状态，此时电机电流和转矩都达到最大值。随着电机转速的上升，反电势逐渐增大，电机电流和转矩逐渐下降，直到电机转矩与负载转矩相等时，电机达到平衡状态。

在机器人应用中，我们通常关心的是电机在不同负载条件下的最高转速。例如，空载条件下，电机能达到的最大转速为空载转速w0;而在负载条件下，电机堵转时能达到的转速为最大转矩对应的堵转转速Ts。在其他条件下，电机运行在这两者之间的线性连线上。因此，如果已知负载转矩T，我们可以计算出电机在此负载下的最高转速w;反之，如果要求电机达到特定的最高转速w，我们也可以计算出电机在此转速下能产生的最大转矩T。

上图清晰地展示了电机最大转速、最大转矩以及转矩与电流之间的线性关系。当电机空载时，其转速达到最高值w0，同时电流为i0。随着负载转矩的逐渐增大，电机转速呈线性下降趋势，而电流则相应增大。当负载转矩达到最大值时，电机进入堵转状态。需要注意的是，若电机转矩继续增大，电机将进入发电状态。

在电机转矩为T时，其电流i可以通过以下公式计算：i=i0+(is-i0)*T/Ts，其中i0为空载电流，is为堵转电流，Ts为堵转转矩。

机器人电机的种类

常见的机器人电机类型包括：直流电机、步进电机、无刷直流电机、交流电机等。下面我们来逐一了解这些电机的特点及应用。

1. 直流电机

直流电机是最常见的机器人电机之一，具有速度调节范围广、性价比高、易于控制等特点，同时也有一定的负载能力和运动精度，因此广泛应用于机器人的各个领域。

2. 步进电机

步进电机是一种定位精度高、调速范围窄的电机，常用于机器人中需要精准位置控制的场合，例如机器人臂等。

3. 无刷直流电机

无刷直流电机是近年来新兴的一种电机类型，具有高效率、高转矩等特点，能够满足现代机器人对于高性能和小体积的需求，因此逐渐成为机器人的主要驱动电机。

4. 交流电机

交流电机具有高扭矩、高效率、高精度等特点，常用于机器人的高负载、高精度运动控制中，例如冶金机器人等。