第3章电动机

　　在工程机械中，动力的来源可以是多种多样的，电动机是一种最为普遍的选择。由于其控制的简便性，对环境的影响较少，使得大多数机器人中都会选用电动机作为动力的来源。

　　3.1直流电动机

　　直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置，直流电动机有多种不同的尺寸和配置，直流电动机工作时需要给电动机转子上的线圈通电，电流在线圈中流动便产生一个磁场，该磁场与线圈外固定的永久磁铁产生的磁场相斥，这两个磁场相互作用产生的力可推动电动机转子转动。

　　直流电动机在机器人上应用广泛是因为它尺寸比较小，并且输出能量高，如图31所示。

　　直流电动机的主要特性如下。

　　（1）   转速高。

　　（2）  扭矩小。

　　（3）  可正、反转。

　　直流电动机的组成部分如图32和图33所示。

　　图31VEX配套直流电动机

　　图32直流电动机模型

　　图33直流电动机实物结构

　　1. 直流电动机的结构

　　（1）  一个固定的永久磁铁，叫作定子。

　　（2）  一个电磁线圈（通常缠绕的是裸线）。

　　（3）  用来缠绕电磁线圈的结构叫作电枢。

　　（4）  一个电刷，用来将电压转移给电枢。

　　2. 直流电动机工作原理

　　如果将线圈置于磁场中，并在线圈内通入电流，线圈内就会产生一个磁场，这时线圈就会转动直到两个磁场吻合。

　　第3章电动机  VEX机器人设计〖2〗〖2〗 〖1〗 随着线圈的转动，它与电刷的连接会断开，但由于惯性的作用，线圈还会继续转动，当它转过180°后，线圈的另一边又会与电刷相连。

　　当有电流加在电刷上时，线圈会持续转动，进而带动转子不停地转动。

　　3.2功率、扭矩和速度

　　直流电动机的功率是同扭矩和速度的乘积成比例的，随着电动机转动速度的下降，扭矩就会成比例地增加，直到达到电动机的最大扭矩。这时，电动机堵转，也就是说，即使有能量加在电动机上，电动机也不会转动，这又叫“失速扭矩”。

　　直流电动机有两种“极限模式”——空载速度（最大速度，0扭矩）和堵转速度（0速度，最大扭矩）。电动机的极限电流是由失速扭矩决定的，因为这是电动机的最大电流。

　　最大功率介于堵转速度和空载速度之间，它可以在速度和扭矩曲线的交点处取得。

　　直流电动机的速度与加在电动机上的速度是成正比的。增加电动机两端的电压可以提高电动机速度，降低两端的电压可以减少电动机速度，如图34所示。

　　图34电动机转速、转矩及输出功率之间的理想曲线

　　旋转方向取决于电动机两端电压的极性。

　　要改变直流电动机的旋转方向，只需简单地改变电动机两端的电极即可。

　　直流电动机旋转速度很高但扭矩很低，如果直接将直流电动机接在机器人上，将不会有足够的扭矩来克服启动摩擦力，机器人也不会动。要使直流电动机进行工作，就需要降低电动机的速度并提高扭矩。降低输入电压可以降低速度，但同时也降低了电动机的功率。

　　解决这个问题的办法就是加入一个传动装置。如果将一个很小的齿轮装在电动机的轴上来驱动一个较大的齿轮，大齿轮转动会慢得多，但是由于它有一个很大的直径，它也会有一个很大的扭矩。

　　由于传动装置有一个很高的齿轮齿数比（驱动齿轮的齿数与被驱动齿轮齿数的比率），因此称为减速器。

　　3.3伺服电动机

　　伺服电动机是一种能根据指令到达特定位置的专用电动机，伺服电动机由一个直流电动机、一个齿轮减速装置、一个轴位置传感器和有关控制电动机运转的电路组成，“伺服”意指系统自调节其行为的能力。也就是说，系统在响应控制信号时，能够检测自身位置并补偿外加的负载。伺服电动机有直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类，不同的伺服电动机其主要特点也不同，共同点是当信号电压为零时无自转现象。转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电动机工作原理如图35所示。

　　图35伺服电动机工作原理

　　3.4电动机提升重物原理及输出功率的测量〖*2〗1. 提升物体根据电动机的结构可知，转子会以一个很大的转速旋转运动，必须通过齿轮组（减速箱）来降低这一转速，同时提高转动输出的力矩，这样电动机的功率才会为机械所使用，只有当齿轮组是减速结构时，电动机所提供的力矩才会增加，并能克服更多的阻力，如果齿轮安装成加速结构，如图36左侧方式，就不能提供更大力矩，当转动或提升物体时如果阻力过大，反而会造成电动机内部结构的损坏，如图36所示。

　　图36电动机与外接安装方式

　　电动机可以提升物体，是由于电动机在通电状态下，会通过齿轮组（减速箱）向外提供一个较大的力矩，当停止供电时，所提升的物体会在重力作用下，在电动机内部产生反向的转动力矩，这时电动机是否会反向转动，取决于电动机内部转子所受到的摩擦作用，而物体重力在电动机内部所产生的反向力矩的大小与齿轮组的结构有关，如果传动比的数值较大，这个反向力矩就会很小，以至于无法克服转子所受到的摩擦力而产生反向运动，所以这时即使中断电流，所提升起来的物体也会保持静止，而不是落下。

　　2. 输出功率的测量

　　电动机能提升多重的物体，设计的机械结构是否可以满足任务的要求，这些问题都要求在挑选电动机或选择设计方案时首先加以考虑，电动机的功率通常会在电动机的铭牌上有所标注，而所设计的外接减速齿轮组所能提供的转动力矩也是可以通过计算获得，那么如何通过实验测量机械结构所提供的转动力矩的大小，就需要设计一个直观具体的装置来进行这一实验了。

　　1） 实验装置

　　实验装置如图37至图310所示（本实验中电动机的启动过程请参阅第11章）。

　　……

第1章工具与安装方式1

1.1工具的使用1

1.2元件的安装方式3

第2章机器人传动方式5

2.1齿轮传动5

2.2链传动10

2.3滑轮和皮带12

2.4蜗轮、蜗杆12

2.5平面连杆传动13

2.6差动机构14

第3章电动机15

3.1直流电动机15

3.2功率、扭矩和速度16

3.3伺服电动机17

3.4电动机提升重物原理及输出功率的测量17

3.5继电器的原理与制作20

3.6电动机的安装方式23

第4章机器人的结构25

4.1机器人的坚固性25

4.2移动机构与轮子的安装27

4.3行走方式与越障能力29

4.4轮子的安装方式29

4.5转向方式30

4.6机器人的稳定性33

第5章常用提升物体的方式38

5.1简单机械臂38

5.2加强型的机械臂39

5.3滑动架与齿条提升结构的安装41

5.4平行四边形交叉升降44

5.5链条提升结构45

第6章机械手的种类47

6.1机械手分类47

6.2其他拾取物体的方式48

第7章VEX外接设备的种类和安装51

7.1输入设备51

7.2输出设备62

第8章基础与准备69

8.1认识VEX的控制器69

8.2安装软件70

8.3软件初探74

8.4工具与菜单75

8.5第一个程序79

8.6下载并运行程序81

8.7在线控制模式84

第9章变量86

9.1变量命名88

9.2变量运算规则88

第10章输出模块89

10.1显示文字89

10.2图表显示90

10.3声音输出92

第11章程序结构98

11.1顺序结构98

11.2自定义函数100

11.3选择结构103

11.4循环结构108

第12章Integrated Motor Encoders模块122

12.1393 集成编码器拆装122

12.2接线122

12.3编程123

第13章Smart Tasks模块127

13.1电动机模块127

13.2机器人控制模块131

13.3等待模块134

第14章遥控程序模块138

14.1遥控的准备138

14.2遥控模块的使用140

第15章VEX简易场地控制器165

附录搭建一个VEX机器人168

参考文献184