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[知识点] 机器人大赛动力系统及其选型(执行机构篇)(上)

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机器 人大赛动力系统及其选型(执行机构篇)(上)

执行机构篇会是最繁琐的一篇,一方面是因为对执行机构特性的描述较为复杂,另一方面是因为各种舵机、电机及其附属装置的型号极其繁杂,有着不同的结构特性。

执行机构简单介绍

执行机构,在本文中指在机器人最终执行相应动作的机构。

常见的执行机构包括舵机和电机。舵机根据外壳机械结构分为普通舵机机器人舵机(关节舵机),根据工作模式分为指定角度型连续旋转型,根据控制信号分为PWM信号舵机总线舵机。而电机有各种细分,我们遇到的大致分为无刷电机有刷电机。无刷电机根据有无霍尔传感器分为有感无刷电机无感无刷电机,根据转子设计,可分为内转子无刷电机外转子无刷电机;而有刷电机虽然结构较为固定,几乎全部采用内转子设计,有一系列标准规格,但是市面上产品类目极多,良莠不齐,性能特点各异。另外,还有两种较为特殊的无刷电机——步进电机和云台电机。

舵机

首先上图:

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左边是机器人舵机,多用作迷你机器人的关节动力,外形设计利于安装关节支架;右边是用于车、船、航模转向的普通舵机。

而连续旋转型和指定角度型几乎无法从外表来分辨,只能从给予一定信号后的表现来判断。指定角度型会根据信号来转到指定角度(相对于舵机内部的角度传感器的指定角度),连续旋转型则会以恒定的速度正转、反转或停止。

总线舵机和PWM信号舵机的外形区别在于PWM信号舵机会有固定的三跟线(VCC、GND和SIGNAL),而总线舵机会用集成了VCC和GND的总线来供电和传输信息。总线舵机可以一个接一个地串起来,而PWM舵机必须一个舵机接一个PWM信号口。

除了舵机的典型用途,即机器人关节、车船转向等,还可以加装专用机械手用来抓取物料,也可以加装摇臂执行一些简单动作。

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有刷电机的外形结构

有刷电机结构较为固定,定子一般二或四片瓦型永磁体,外面是钢质的外壳;转子的铁芯用硅钢片叠成,铜线绕组就绕在铁芯上。通常,有刷电机会加一个减速器,牺牲转速以输出更大的扭矩。

一般的,有刷电机会在电机出轴面留下两个安装孔,带内攻丝,以利于安装,购买的时候应注意。
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有刷电机的尺寸一般以三位数字来标定。如385电机,“3”表示这个电机的直径,为3系标准;“8”表示电机长度为8级别;“5”表示电机采用5极转子。注意这里的数字均没有实际字面上的意义,仅代表级别。

1系电机:

主要包括130和180。130和180电机的截面轮廓和安装孔完全一致,只是180电机要比130电机更长,而“0”代表三极转子。常见的黄色TT减速马达的电机便是130电机;同时,130电机也是我们小时候常见的四驱车的动力。虽然外形上180只是比130长了一点,但市售的130电机永磁体质量很差,功率不高,而180有很多为航模而设计生产的高性能电机,功率是常见的130的两三倍不止。

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2系电机较少见,不加介绍。

3系电机:

大多数直径系列的标称直径是一样的,但3系电机的标称直径有三种,分别是25mm、27mm和28mm。25mm的标称直径从最短的300、310电机一直用到370级别,而385的电机标称直径27mm,395电机的标称直径28mm,使用时应当注意。在这一级别上,有“25GA-370”这一型号的370减速电机,以及基于其尺寸规格的“黑皮370减速电机”,可选配编码器。其在市场上应用很多,体积小,也有不错的功率,适合在重量较轻(2kg以下)、速度要求不是很大的车型上采用。需要注意的是,这种电机的减速器不能承受太高的扭矩,不建议武术擂台赛使用。(25GA-370这一规格似乎是由驰海电机开发的,黑皮370确定是驰海电机开发,而且市面上的370减速电机几乎被驰海电机的产品所垄断。大家购买这两种型号建议从驰海电机工厂店进行购买,货源有保障,也好开发票。)左为25GA-370,右为基于同款减速器、同规格的黑皮370减速电机。

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4系电机:

为专用于水弹枪、车船模型、电动工具的460、480电机,大部分没有安装孔,故而不进行介绍。

5系电机:

最常见的是用于飞思卡尔智能车的520减速编码电机:
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这种减速编码电机应用较为广泛,并且集成了编码器和减速器,具有完善的功能,作为5系电机动力也比较充沛,比较建议大家使用。(这种电机的原产商似乎还是驰海……)

还有就是555和540电机。555电机在市面上可以买到钕铁硼永磁体的高性能产品,追求极致功率和同学可以经过计算后购买使用。540电机则是常见于车模的型号,具有较高的功率和稳定性,产品均较为成熟,但是这些540电机的工作电压比较低,电流较大,给驱动板的压力较大,价格也较为昂贵,建议谨慎采购。

5系电机应用极为广泛,其37mm的标称直径算得上是电机行业上的一个通行标准。再大的电机,由于不是很用得上,故而不再介绍。

有刷电机的性能参数及其标定

有刷电机(包括加装了减速器的型号)主要性能参数包括两部分。一部分是电机的输出数据,即其输出的扭矩、转速等数据,包括额定电压下的空载转速、额定转速、额定扭矩、堵转(即用外力强迫电机无法转动)扭矩、额定功率、最大功率等;另一部分是其输入数据,即额定电压、额定电流和堵转电流。

在此贴出某型减速电机的数据表,供大家参考:
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可以发现,这张表格列出了多种减速比;另外,还标注了减速箱可以承受的最大扭矩。这些数据都是选型时需要考虑在内的。

由于有刷电机的设计已经趋于同质化,所以对其功率影响最大的地方在于永磁体材质和电机尺寸。更大尺寸、永磁体磁性更强的电机拥有更大的功率和更高的扭矩。大部分是基于铁氧体的永磁体,少数掺入了稀土元素,只有极少数采用了磁性极强的钕铁硼永磁体。但在具体采购上,还是比较头痛的,只能建议大家尽量选择久经市场考验的电机,如25GA-370、黑皮370以及520减速电机,购买时尽量选择大店、老店和工厂店。钕铁硼的电机大部分是从小渠道流出的,数据不完善,只能凭经验和卖家给出的少量资料来推测其性能数据,有时候还需要适配合适的减速器和齿轮,不建议新手采用。

另外,永磁体更强的电机更容易在堵转的情况下电流过大、烧毁,需要注意。

一般在选型时,作为车轮的电机,各个轮子的牵引力合至少要是机器人重力的两倍,然后根据自己的需要选择合适的转速,一般空转的速度要达到所需转速的150%以上。转速和扭矩两项数据可大不可小。减速电机的允许扭矩一般不需要担心太多,注意不要堵转即可,但武术擂台赛例外,一定要认真选型并留出足够余量,因为武术擂台赛电机是经常堵转、瞬间反转的。

有时候,不能过于相信卖家的数据,一定要根据电机尺寸和永磁体来判断。常见的TT马达额定电压只有6V,但实际上12V甚至16V使用都不会有什么问题,这是因为其定位是安全的小玩具,所以永磁体较弱,标定也比较保守,堵转也比较安全;而额定电压12V的驰海黑皮370在12V下工作会很快发热,即使4V空转也会慢慢热起来。特别是某小品牌的395减速电机,额定电压标定24V,然而24V下空转一到两分钟,过高的热量就会将这台电机彻底烧毁,其真正的额定电压应为12V甚至更低。

最后提一句,部分有感无刷内转子电机也完全符合这样的参数标定法则。具体内容在无刷电机中详细讲解。

有刷电机的驱动

有刷电机均使用电机驱动板进行驱动。最常见的电机驱动板不外乎L298N,这是一种典型的双H桥双路电机驱动板。
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虽然应用很广泛,但驱动能力极其有限,单路电流限制2A,最高可以驱动25GA-370级别的电机,连黑皮370都带不动。强行小马拉大车的话,驱动板会过热甚至烧毁。另外L298N的效率不高,发热较为严重,所以固定配置了较大的散热片,导致其体积较大,不利于机器人的整体布局。

在此,推荐大家使用A4950这款驱动板,用于小电流驱动的情况,最高可以驱动25GA-370级别的电机。模块逻辑和L298N差不多,也是双H桥双路,单路限流保护2A(也就是说最高输出2A电流,达到2A的话会触发板载保护,将电流牢牢限制在2A)。发热小,体积小,再加上限流保护,可以非常可靠地使用。相比如TB6612之类限压10V的驱动板,其允许电压高达40V,基本不会出现电压不够用的情况。当然,缺点就是有点贵,参考价20元。(下图为A4950电机驱动板)
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在电流更大的情况,则建议使用爱控电子的某型驱动板(因为爱控电子真的没有给它起名字……)。

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左边是爱控电子原产驱动板,右边似乎是授权生产的驱动板。这种驱动板的设计完善,在某宝上销量巨大。也是双路H桥驱动,但是单路持续输出电流达到了7A,峰值50A,信号全隔离,还有静电泄放回路,驱动555甚至775直流电机都绰绰有余。

当然,也有一个缺点,就是体积不算小,PCB尺寸就达到了55×55mm。它的价格也比较合理,原产驱动板60元,授权生产的在40元左右。我没有用过原产驱动板,但授权生产的产品也似乎没有什么不好的地方,反正够用。

再大功率的驱动板,就很少有“风靡全网”、经过市场检验的产品了,也基本用不到,故而不再进行推荐。

作者:南京航空航天大学,周子阳
本文未获得作者授权,不得转载
2019/7/6


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发表于 2020-10-28 18:53:52

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