新型电子换向式直流电机与传感器

对于机器人来说，尤其是对于本章介绍的小型仿蛇机器人来说，其常用的电气驱动器件为直流电机和舵机，因此本章将着重对这些器件及其使用方法进行阐述和分析。

直流电机分直流有刷电机和直流无刷电机[16]。其中，直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机[17]。早在19世纪电机诞生的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用[18]。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。20世纪中叶晶体管诞生了，采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机应运而生。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

直流有刷电机（见图2-1）是典型的同步电机，由于电刷的换向使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直，从而产生最大转矩使电机运转起来[19]。但由于采用电刷以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、电磁干扰以及寿命减短等缺点，再加上制造成本较高以及维修困难等不足，从而大大限制了直流有刷电机的应用范围[20]。随着高性能半导体功率器件的发展和高性能永磁材料的问世，直流无刷电机（其结构如图2-2所示）技术与产品得到了快速发展。由于直流无刷电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多长处，因而得到了广泛的应用[21]。

图2-1　直流有刷电机

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图2-2　直流无刷电机结构图

1.直流无刷电机的结构

从结构上分析，直流无刷电机和直流有刷电机相似，两者都有转子和定子。只不过两者在结构上相反，有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机[22]。直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度以及转子极数的影响：在转子极数固定的情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机的特性[23]。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内，当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

2.直流无刷电机的工作原理

直流无刷电机的运行原理为：依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，实现电机输出轴转动[24]。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有关，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相的交流电[25]。

直流无刷电机按照是否使用传感器分为有感的和无感的。有感的直流无刷电机必须使用转子位置传感器来监测其转子的位置[26]。直流无刷电机的输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子部分组成，转子位置传感器的转子部分与电机本体同轴，可跟踪电机本体转子的位置；转子位置传感器的定子部分则固定在电机本体的定子或端盖上，以感受和输出电机转子的位置信号[27]。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度、响应速度、工作温度、抗干扰能力、损耗、体积、重量、安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等，其中最常用的是霍尔磁敏传感器。