一文读懂机器人常用微型直流电机:从原理到应用,探索动力核心的奥秘

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在机器人的奇妙世界里,电机无疑是赋予它们灵动 “生命” 的动力源泉。而我们日常接触较多的直流电微型电机,更是在机器人制作领域扮演着至关重要的角色。今天,就让我们一同走进普通电机、步进电机、减速电机和伺服电机的世界,揭开它们神秘的面纱。
 
电机
 
电机,这个被俗称为 “马达” 的电磁装置,依据电磁感应定律,在电路中如同一位勤劳的 “能量转换大师”,将电能巧妙地转换或传递,用字母 “M”(旧标准为 “D”)在电路图中彰显其独特身份。它的核心使命,是为各种用电器和机械设备提供驱动转矩,成为推动它们运转的强大动力源头。
 
普通直流电机,堪称我们生活中的 “常客”,电动玩具、刮胡刀等常见物品中都能发现它忙碌的身影。它构造相对简单,通常仅配备两个引脚,只要将电池正负极与之相连,电机便会欢快地转动起来;若将电池正负极反向连接,电机则会改变转动方向。然而,它也存在一些局限性,转速过快且扭力较小,这使得它一般不太适合直接应用于智能小车。普通直流电机由定子和转子构成,定子包含基座、主磁极、换向极和电刷装置等;转子(电枢)则由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。当直流电源通过电刷为电枢绕组供电时,依据左手定则,电枢表面的导体受到力矩作用,从而使整个电枢绕组即转子旋转,成功将直流电能转化为机械能。直流电动机凭借其出色的调速性能,在电力拖动领域得到了广泛应用,根据励磁方式可细分为永磁、他励和自励 3 类,自励又进一步分为并励、串励和复励 3 种。
 
减速电机,宛如普通电机的 “智慧搭档”,通过添加减速箱,成功降低了转速,同时大幅增加了扭力,让普通电机拥有了更为广阔的应用天地。这个集成体常被称作齿轮马达或齿轮电机,一般由专业的减速机生产厂精心集成组装后成套供应。减速电机在钢铁、机械等众多行业都发挥着重要作用,其优点在于能够简化设计、节省空间。自第二次世界大战后,军事电子装备的迅猛发展极大地推动了美国、苏联等国家微型减速电机和直流减速电机的研发与生产。随着行业的不断进步,越来越多的行业和企业开始应用减速电机,同时也有众多企业投身于这个领域。如今,在世界微型减速电机和直流减速电机市场上,德、法、英、美、中、韩等国占据着领先地位。我国的微型减速电机以及直流减速电机产业起步于 20 世纪 50 年代,从最初为满足武器装备配套需求,历经仿制、自行设计、研究开发到规模制造,现已构建起一个涵盖产品开发、规模化生产、关键零部件、关键材料、专用制造设备以及测试仪器等环节,配套完整且国际化程度不断提升的产业体系。在智能小车的应用中,减速电机是常见的选择,对于其控制,常采用 H 桥方案,L298 芯片便是基于此原理。而调速方面,一般运用 PWM(脉宽调制)机制,单片机通过定时器控制产生占空比可变的 PWM 波,或者直接利用硬件 PWM 输出不同大小的波形,以此实现对小车整体速度的精准控制。
 
步进电机,如同一位精准的 “舞者”,能够将电脉冲信号精确地转变为角位移或线位移,是开环控制的关键元件。在非超载的理想状态下,它的转速与停止位置仅仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数,丝毫不受负载变化的干扰。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,步进电机就会按照设定方向转动一个固定角度,即 “步距角”,它的旋转如同舞步一般,以固定角度一步一步稳健运行。通过精准控制脉冲个数,就能实现对角位移量的精确控制,从而达到准确定位的目的;同时,控制脉冲频率则可以灵活调节电机转动的速度和加速度,实现调速功能。
 
伺服电机,在自动控制系统中宛如一位忠实的 “执行者”,故而又被称为执行电动机。它能够将接收到的电信号迅速转换成电动机轴上的角位移或角速度并输出。伺服电机主要分为直流和交流两大类,其显著特点是当信号电压为零时,不会出现自转现象,并且转速会随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机主要依靠脉冲来实现精准定位,简单来说,它每接收到 1 个脉冲,就会旋转相应角度,进而实现位移。由于伺服电机自身具备发出脉冲的功能,每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,与接收到的脉冲形成呼应,也就是所谓的闭环控制。如此一来,系统便能精确知晓发送给伺服电机的脉冲数量以及回收的脉冲数量,从而实现对电机转动的高精度控制,定位精度甚至可以达到 0.001mm。直流伺服电机又细分为有刷和无刷电机。有刷电机具有成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽以及控制容易等优点,但它也存在需要维护且维护不便(需更换碳刷)的缺点,同时还会产生电磁干扰,对使用环境有一定要求,因此常用于对成本较为敏感的普通工业和民用场景。
 
普通电机、步进电机、减速电机和伺服电机,每一种都凭借其独特的性能和特点,在机器人制作以及众多其他领域发挥着不可或缺的作用。它们就像机器人世界的 “动力军团”,各自肩负使命,共同推动着科技的进步与发展。随着科技的不断创新,相信这些电机将在未来展现出更加卓越的性能,为我们带来更多的惊喜与可能。
 
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微型直流电机基于电磁感应原理工作,像普通电机的转速扭力、步进电机的脉冲控制等特性,于机器人制作及多领域应用关键。通过独特构造设计与先进制造技术优化性能。普通、减速、步进、伺服等多种类型,满足智能小车、工业设备、民用产品等不同场景需求。在各领域中凭借输出精准动力实现特定运动控制,大力推动机电技术发展。

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