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直流電機：啟動機器人的動力來源

隨著科技的飛速發(fā)展，各種機器人產(chǎn)品也走進的日常生活，比如掃地機器人通過直流電機驅(qū)動小掃把來清潔地面、智能早教機器人陪伴孩子成長、工業(yè)機械手臂機器人可以替代人工組裝產(chǎn)品。無論是何種機器人都是要有動力源來驅(qū)動，這個動力源就是直流電機了。在機器人設(shè)計中，直流電機是非常重要的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，它相當于人類的活動關(guān)節(jié)。直流電機通過把電能轉(zhuǎn)化成機械能為機器人提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，所以直流電機安裝在機器人需要活動的位置（如關(guān)節(jié)驅(qū)動、輪子等）。在機器人領(lǐng)域中，因為直流電機可以用電池的直流電源供電，所以才會采用直流電機，直流電機中有有刷直流電機和無刷直流電機，根據(jù)需求選擇不同的直流電機，比如機器人舵機，大多用的是直流有刷電機，有刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單，通過換向器進行換向，但是有刷直流電機有個缺點就是電機在運轉(zhuǎn)時電刷與換向器會產(chǎn)生摩擦，會影響使用壽命，當然在一些機器人中有刷直流電機的使用壽命能夠滿足要求的條件下，還是會選擇有刷直流電機。而直流無刷電機就解決了有刷直流電機的問題，它沒有換向器，采用的是電子換向，因此沒有了磨損，使用壽命也比有刷直流電機要長的多，但是無刷直流電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，價格也比較貴，除非有刷直流電機的參沒法滿足才會選用無刷直流電機。直流電機的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)控制也對機器人非常的重要，它的行走速度、工作速度都與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，所以需要通過直流電機驅(qū)動器來控制了。直流電機轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，定子繞組會產(chǎn)生反電動勢，電機的結(jié)構(gòu)洞它產(chǎn)生的反電支勢波形也不同，即方波與正弦波。直流電機調(diào)速可以通過PWM調(diào)制方波的脈沖寬度改變輸出電壓，電壓變化轉(zhuǎn)速就隨之改變。利用正弦波電流驅(qū)動可以有效降低轉(zhuǎn)矩脈動，不過缺點是控制過程復(fù)雜、成本高。雖然正弦波驅(qū)動直流電機的方式也是全橋電路，但它的調(diào)速方式與方波驅(qū)動不一樣，在機器人中用的的是矢量控制方法（簡稱FOC）。直流電機FOC控制：直流電機能夠旋轉(zhuǎn)是因為磁場和電流的相互作用產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的大小與磁場和電流相關(guān)，但是定子產(chǎn)生的磁場是固定的，所以控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，也就是說直流電機的轉(zhuǎn)速就可以控制了，不過無刷直流電機的電流不僅會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，還會此話定子中的磁通材料并產(chǎn)生磁場，也就是我們常說的勵磁電流。這兩個耦合在一起無疑是增加了控制的難度。想要控制轉(zhuǎn)速，就需要把這兩個電流分離開來，單獨控制，F(xiàn)OC采用坐標旋轉(zhuǎn)改變分解定子的電流，分解后就可以分別控制這兩個量轉(zhuǎn)矩大了，力大了，直流電機的轉(zhuǎn)速就上去了。FOC的好處是轉(zhuǎn)矩脈動小，所以旋轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，但它算法復(fù)雜，成本也高。通過控制直流電機轉(zhuǎn)速就可以控制機器人的行走速度了，這樣機器人也就動了起來！最后總結(jié)機器人兩種直流電機無刷電機沒有電刷換向器結(jié)構(gòu)，不需要定期維護，壽命較長。在驅(qū)動原理上，無刷電機的驅(qū)動又分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動，前者原理簡單、成本較低，后者算法較復(fù)雜，但可以有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動，使電機轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)。在實際的應(yīng)用中，我們可以根據(jù)實際需求，綜合考慮各方面因素，去選擇合適的電機方案和驅(qū)動方案。直流有刷電機成本較低，機械磨損大，可以用作機器人的輪式底盤結(jié)構(gòu)；無刷電機的一大優(yōu)點是換向的時候不會產(chǎn)生電火花，所以廣泛用于特種機器人上。

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