电机认识：修訂版本之間的差異
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| + | 不但电刷会磨损，换向器也会磨损，因此除了换电刷，还需要打磨铜头，让铜头保持光滑，并让电刷与铜头的接触面积最大化，达到最大的效率。所以有刷电机维护是挺麻烦的。 | ||
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| + | b、可靠性受电子零件影响，或者传感器受到干扰电机会失效。 | ||
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| + | a、没有电刷和转向器的摩擦，噪音低、振动少，发热少、寿命长。 | ||
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| + | b、不需要更换电刷，维护简单。 | ||
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| + | c、没有电刷产生的火花，干扰少。 | ||
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| + | d、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小。 | ||
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==直流电机的技术指标== | ==直流电机的技术指标== | ||
| − | 因为直流电机是规格众多，也是 DIY 者的首选，DIY 的成分也最多，所以了解其指标就 | + | 因为直流电机是规格众多，也是 DIY 者的首选，DIY 的成分也最多，所以了解其指标就至关重要。 |
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典型的直流电机技术说明主要包括以下几点：（以下摘自《机器人设计与控制》） | 典型的直流电机技术说明主要包括以下几点：（以下摘自《机器人设计与控制》） | ||
| − | + | :'''1） 额定输入电压''' | |
| − | + | 电机 正常 的 输入电压 。 通常输入电压可以超 过 额定 电 压值 10 -15% 。 | |
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| − | + | :'''2）空载 转 速''' | |
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| − | + | 电机的最高转速。没经过齿轮减速之前，电机的最高转速大约在 5000 –15000 r/min 之间（好的电机可达 28000r/min ） 。 | |
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| + | :'''3）堵转转矩''' | ||
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| + | 这是电机能输出的最大转矩。对应于堵转转矩，电机的转速为 0，输入电流最大。 | ||
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| + | :'''4） 摩擦转矩''' | ||
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| + | 指由于电机各个零件（包括轴承、电刷等等）之间的摩擦而损失的转矩。 | ||
这个值当然越低越好。 | 这个值当然越低越好。 | ||
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| − | + | 指 电机的 最大 输 出功率 。电机 的 最 大功率等于 电 机 的空载 转速乘以堵转 力 | |
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| − | + | 这是电机在 空载 状态 的输入电 流。当 电机 运转在最高 转速 的时候 ， 其需要的输入 电 流实际上是最小 的 。在 空载 电流驱动下 ，电 机除了克服摩擦力矩外 ， 没有其它力矩输 出 。随着转轴上负载的增大，输入 电 流将增大 。 | |
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| − | + | :'''7 ） 反向电压系数''' | |
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| − | + | 这个系数通常以 mV/(r/min) 给出，有时也以 V/(1000r/min) 给出。当给定电机的转速后，可以通过这个系数求出电机的反向电压。随电机转速升高，反向电压增大，绕组两端的实际电压降低，导致需求的输入电流也降低。对于空载下运行在最高转速的电机而言，反向电压将和供电电压达到平衡。在该时刻，电枢两端的实际电压为 0V，一个理想的电机此时将不再需要电流。然而实际上的电机不可能真正地实现空载，因为摩擦总是存在的。 | |
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| + | :'''8）空载转速系数''' | ||
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| + | 空载系数通常以 (r/min)/V 给出。当给出电机的输入电压后，可以根据该系数求出电机的空载转速。例如，假设电机的空载转速系数为 1200(r/min)/V，供电电压 9V，那么可以算出电机的空载转速为 10800 转/分（9 * 1200）。 | ||
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| + | :'''9） 转矩系数''' | ||
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| + | 这个系数通常用来计算在一定的输入电流下电机所产生的输出力矩。通常以 (N.m)/A 给出。要注意的是这里所指的输出转矩定义为电机在尚未经过齿轮减速之前的输出。另外，如果已经知道要求的输出转矩，也可以用转矩除以转矩系数求得所需要的输入电 流。 | ||
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| + | :'''10）电枢电阻''' | ||
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| + | 电枢电阻的单位为欧姆。实际 流 过绕组的电流是由反向电压、输入电压和电枢电阻共同决定的 。 由欧姆定律： | ||
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| + | '''I = （ V – E ） / R''' | ||
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式中， I 为输入电流， V 为输入电压， E 为反向电压， R 为电枢电阻。 | 式中， I 为输入电流， V 为输入电压， E 为反向电压， R 为电枢电阻。 | ||
| − | + | :'''11） 电枢感应系数''' | |
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| − | + | 对于小电机而言，电枢感应系数 电枢感应系数都在 mH 的级别上。使用 PWM 来控制电机的时候自感应现象表现的相当严重。当电机电源突然被切断的瞬间，电枢绕组将会产生一个很高的电动势施加在控制电路上。该电动式有很多名称，有的称为 回路电动势，有的称为 感应电动势。它可由下式求出： | |
| − | V = L * （ dI /dT ） | + | |
| + | '''V = L * （ dI /dT ）''' | ||
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式中， L 为电枢感应系数， V 为感应电动势，dI 为电流增量， dT 为时间增量。 | 式中， L 为电枢感应系数， V 为感应电动势，dI 为电流增量， dT 为时间增量。 | ||
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| − | + | 当 电 流忽然转向 的 时候，dI/dT 将非常大，这时候 L 是决定感应 电 动势 大 小的关键因素—— 有的 电机可达 100 多伏 。 幸运的是可以利用续 流 二极管来消除感应 电 动势 的 影响 。 | |
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| − | + | :'''12） 最 高效率''' | |
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| − | + | 该 效率是 电机 可能获得 的 最高效率。对于小 电机 而言，该值大概在 50 – 75% 之间， 大 型直流电 机可 以达到 90%。直流 电机通常 在输出转矩为最大转矩的 10 -15 % 时 获得 最高效率。加 上 减速器后最高效率还将降低 一 些。 | |
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| + | :'''13）最大径向载荷''' | ||
| + | 该参数指在电机正常运行的前提下，允许垂直施加于电机轴上的径向最大载荷。 | ||
| + | :'''14）最大轴向载荷''' | ||
| + | 类似地，该参数指电机正常工作的前提下，允许施加在电机轴上的轴向最大载荷。（以上摘自《机器人设计与控制》P85-P86）可作为 DIY 者所选择的电机通常很难获得上述那么全面的指标，一般只有以下形式的数据表： | ||
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| + | <img src="http://image.yfrobot.com/motor/parameter%20.png-yf" alt="motor_parameter" /> | ||
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| + | ''' 注：直流电机输出功率 P P （单位：W）计算公式为：''' | ||
'''P = T * ω''' | '''P = T * ω''' | ||
| 第 93 行： | 第 173 行： | ||
此电机的最大功率为： 0.0049 * 1026 = 1.26W | 此电机的最大功率为： 0.0049 * 1026 = 1.26W | ||
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2019年5月31日 (五) 15:03的最新修訂版本
有刷電機，無刷電機
我們常用的發動機是直流電機（馬達），直流電機可以分有刷電機和無刷電機。
- 1.有刷直流電機
我們小時候很常見的大多是有刷電機。有刷電機最基本的組成部分除了定子（不轉動的部分，固定着的）、轉子（轉動的部分，通過軸把動力輸出）、電刷，有刷電機的名字因此而來。
看圖知道，有刷電機的線圈部分是轉動的，為了保證轉的過程中線圈能導電和換向，要用電刷通過與繞組上的換向器（銅頭）接觸，讓電機得以轉動。但是由於高速轉動時電刷會磨損，所以有刷電機需要在電刷用完之後，更換電刷。
不但電刷會磨損，換向器也會磨損，因此除了換電刷，還需要打磨銅頭，讓銅頭保持光滑，並讓電刷與銅頭的接觸面積最大化，達到最大的效率。所以有刷電機維護是挺麻煩的。
多軸飛行器上很少用有刷電機，但在一些很輕的小四軸上，有些用空心杯有刷電機。傳統的電機轉子是由線圈繞在鐵芯上組成，而空心杯電機去掉了鐵芯，轉子由一個線圈編織成的籠子組成，這種優點是重量輕（少了鐵芯）、轉動慣量大幅降低而響應快（要轉就轉，要停就停）、能量轉換效率在70%以上，（鐵芯電機在15-50%）。但由於功率和轉速太快等原因，空心杯電機現多用在一些很輕巧的四軸飛行器上。
1）有刷電機缺點：
a、電刷和換向器之間有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易發熱，有刷電機的壽命要比無刷短几倍。
b、維護麻煩，需要不停的換電刷。
c、因為電阻大，效率低、輸出功率少。
d、電刷和換向器摩擦會引起火花，干擾大。
2）有刷電機優點：
a、低速扭力性能優異、轉矩大。
b、相比無刷電機，少了很多電子零件,價格比無刷的便宜。
c、由於少了電子零件，少了由於傳感器受干擾、電子零件失靈等影響。
- 2、無刷直流電機
無刷電機顧名思義就是沒有刷子，有刷電機是因為線圈是轉的才被迫用刷子和換向器，來保證線圈通電和不停換向。而無刷電機線圈部分是不轉的，轉的是由磁鐵部分組成的轉子，所以就無需電刷了。
線圈固定了，那怎樣才能產生變化的磁場呢？需要三組線圈加上無刷電調，通過不斷改變線圈的電流方向來產生變化的磁場，從而驅動磁鐵轉子不停轉動。無刷電機需要無刷的電調才能工作，而有刷電機把線接到電源正負極就可以轉動了。
1）無刷電機缺點：
a、需要無刷電調一起才能工作，價格比有刷的要高。
b、可靠性受電子零件影響，或者傳感器受到干擾電機會失效。
2）無刷電機優點：
a、沒有電刷和轉向器的摩擦，噪音低、振動少，發熱少、壽命長。
b、不需要更換電刷，維護簡單。
c、沒有電刷產生的火花，干擾少。
d、轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小。
直流電機的技術指標
因為直流電機是規格眾多，也是 DIY 者的首選，DIY 的成分也最多，所以了解其指標就至關重要。
典型的直流電機技術說明主要包括以下幾點：（以下摘自《機械人設計與控制》）
- 1）額定輸入電壓
電機正常的輸入電壓。通常輸入電壓可以超過額定電壓值 10 -15% 。
- 2）空載轉速
電機的最高轉速。沒經過齒輪減速之前，電機的最高轉速大約在 5000 –15000 r/min 之間（好的電機可達 28000r/min）。
- 3）堵轉轉矩
這是電機能輸出的最大轉矩。對應於堵轉轉矩，電機的轉速為 0，輸入電流最大。
- 4）摩擦轉矩
指由於電機各個零件（包括軸承、電刷等等）之間的摩擦而損失的轉矩。 這個值當然越低越好。
- 5）輸出功率
指電機的最大輸出功率。電機的最大功率等於電機的空載轉速乘以堵轉力
- 6）空載電流
這是電機在空載狀態的輸入電流。當電機運轉在最高轉速的時候，其需要的輸入電流實際上是最小的。在空載電流驅動下，電機除了克服摩擦力矩外，沒有其它力矩輸出。隨着轉軸上負載的增大，輸入電流將增大。
- 7）反向電壓係數
這個係數通常以 mV/(r/min) 給出，有時也以 V/(1000r/min) 給出。當給定電機的轉速後，可以通過這個係數求出電機的反向電壓。隨電機轉速升高，反向電壓增大，繞組兩端的實際電壓降低，導致需求的輸入電流也降低。對於空載下運行在最高轉速的電機而言，反向電壓將和供電電壓達到平衡。在該時刻，電樞兩端的實際電壓為 0V，一個理想的電機此時將不再需要電流。然而實際上的電機不可能真正地實現空載，因為摩擦總是存在的。
- 8）空載轉速係數
空載係數通常以 (r/min)/V 給出。當給出電機的輸入電壓後，可以根據該係數求出電機的空載轉速。例如，假設電機的空載轉速係數為 1200(r/min)/V，供電電壓 9V，那麼可以算出電機的空載轉速為 10800 轉/分（9 * 1200）。
- 9）轉矩係數
這個係數通常用來計算在一定的輸入電流下電機所產生的輸出力矩。通常以 (N.m)/A 給出。要注意的是這裡所指的輸出轉矩定義為電機在尚未經過齒輪減速之前的輸出。另外，如果已經知道要求的輸出轉矩，也可以用轉矩除以轉矩係數求得所需要的輸入電流。
- 10）電樞電阻
電樞電阻的單位為歐姆。實際流過繞組的電流是由反向電壓、輸入電壓和電樞電阻共同決定的。由歐姆定律：
I = （ V – E ） / R
式中， I 為輸入電流， V 為輸入電壓， E 為反向電壓， R 為電樞電阻。
- 11）電樞感應係數
對於小電機而言，電樞感應係數 電樞感應係數都在 mH 的級別上。使用 PWM 來控制電機的時候自感應現象表現的相當嚴重。當電機電源突然被切斷的瞬間，電樞繞組將會產生一個很高的電動勢施加在控制電路上。該電動式有很多名稱，有的稱為 迴路電動勢，有的稱為 感應電動勢。它可由下式求出：
V = L * （ dI /dT ）
式中， L 為電樞感應係數， V 為感應電動勢，dI 為電流增量， dT 為時間增量。
當電流忽然轉向的時候，dI/dT 將非常大，這時候 L 是決定感應電動勢大小的關鍵因素—— 有的電機可達 100 多伏。幸運的是可以利用續流二極管來消除感應電動勢的影響。
- 12）最高效率
該效率是電機可能獲得的最高效率。對於小電機而言，該值大概在 50 – 75% 之間，大型直流電機可以達到 90%。直流電機通常在輸出轉矩為最大轉矩的 10 -15 % 時獲得最高效率。加上減速器後最高效率還將降低一些。
- 13）最大徑向載荷
該參數指在電機正常運行的前提下，允許垂直施加於電機軸上的徑向最大載荷。
- 14）最大軸向載荷
類似地，該參數指電機正常工作的前提下，允許施加在電機軸上的軸向最大載荷。（以上摘自《機械人設計與控制》P85-P86）可作為 DIY 者所選擇的電機通常很難獲得上述那麼全面的指標，一般只有以下形式的數據表：
註：直流電機輸出功率 P P （單位：W）計算公式為：
P = T * ω
式中，T 為轉矩，單位是 N.m ；ω 為角速度，單位是 rad/s 。
直流電機的最大輸出功率對應於轉矩為 1/2 最大轉矩，轉速為 1/2 最大轉速（即空載轉速）的工況，其公式如下：
P max = 1/4 * T max * ω max
通常電機提供的轉速是以「r/min （轉/ 分或 rpm） ）」為單位，計算前需要轉換為 「rad/s） （弧度/秒）」：
rad/s （弧度/秒）= 0.1047 * r/min（轉/分）
如空載轉速：9800 r/min —〉1026 rad/s
電機的力矩通常是以「g.cm（克 （克.厘米） 厘米）」為單位，需要轉換為「N.m（牛 （牛.米） 米）」：
N.m = 0.000098 * g.cm
如堵轉力矩：50g.cm ——〉 0.0049 N.m ——〉4.9 mN.m
此電機的最大功率為： 0.0049 * 1026 = 1.26W
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