电机种类与特性

电机是机器人的"肌肉"。不同电机有截然不同的特性，选型直接决定了控制策略。

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一、电机大家族

graph TB
    MOTOR["电机"] --> DC["直流电机 DC"]
    MOTOR --> AC["交流电机 AC"]
    MOTOR --> STEP["步进电机"]
    MOTOR --> SPECIAL["特种电机"]
    DC --> BRUSH["有刷直流电机<br>Brushed DC"]
    DC --> BLDC["无刷直流电机<br>BLDC"]
    DC --> PMSM_DC["永磁同步电机<br>PMSM"]
    AC --> INDUCTION["感应电机<br>异步电机"]
    AC --> SYNC["同步电机"]
    STEP --> S_UNI["单极性步进"]
    STEP --> S_BI["双极性步进"]
    SPECIAL --> SERVO["舵机 Servo"]
    SPECIAL --> LINEAR["直线电机"]
    SPECIAL --> DD["直驱电机"]

    style BRUSH fill:#e1f5fe
    style BLDC fill:#e8f5e9
    style PMSM_DC fill:#fff3e0
    style STEP fill:#f3e5f5

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二、有刷直流电机（Brushed DC Motor）

结构与原理

         ┌─── 永磁体（定子）
         │
    ╔════╧════╗
    ║  N    S ║    ← 外壳（定子磁场）
    ║ ┌────┐  ║
    ║ │转子│  ║    ← 线圈绕组（转子）
    ║ │coil│  ║
    ║ └──┬─┘  ║
    ╚════╧════╝
         │
         └─── 电刷 + 换向器（机械换向）

• 定子：永磁体，提供恒定磁场
• 转子：绑有线圈，通电后在磁场中受力转动
• 换向器 + 电刷：机械结构，自动切换电流方向，使转子持续旋转

数学模型

电气方程：

\[ V = R_a i_a + L_a \frac{di_a}{dt} + K_e \omega \]

力矩方程：

\[ T = K_t i_a \]

机械方程：

\[ J\dot{\omega} + B\omega = T - T_L \]

符号	含义
\(V\)	端电压
\(R_a, L_a\)	电枢电阻、电感
\(K_e\)	反电动势常数
\(K_t\)	转矩常数（\(K_t \approx K_e\)）
\(\omega\)	角速度
\(J\)	转动惯量
\(B\)	粘滞摩擦系数
\(T_L\)	负载转矩

控制方法

方法	原理	优缺点
PWM 调速	改变平均电压	简单高效，最常用
H 桥驱动	4 个开关管控制正反转	可实现四象限运行
电流控制	通过电流传感器实现电流闭环	精确力矩控制

有刷电机的优缺点

优点：控制简单（一个 PWM 就能转）、成本低、低速力矩好

缺点：电刷磨损（寿命有限）、电磁干扰大、高速效率低、需要定期维护

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三、步进电机（Stepper Motor）

结构与原理

步进电机将电脉冲信号转换为精确的角位移。每收到一个脉冲，转子转过一个固定角度（步距角）。

常见步距角：1.8°（200 步/圈）、0.9°（400 步/圈）

graph LR
    PULSE["脉冲信号"] -->|"每个脉冲"| STEP["转过一个步距角"]
    DIR["方向信号"] -->|"高/低电平"| CW_CCW["顺时针/逆时针"]
    PULSE_FREQ["脉冲频率"] -->|"频率越高"| SPEED["转速越快"]

驱动方式

方式	步距角	力矩	平滑度
全步驱动	1.8°	最大	振动大
半步驱动	0.9°	较大	较平滑
微步驱动	1.8°/n (n=4,8,16,32...)	较小	非常平滑

微步驱动原理

通过给两相线圈施加正弦/余弦电流，使转子停在两个全步位置之间的任意点。细分数越高，定位越精细，但每步的保持力矩越小。

控制要点

// 步进电机基本控制：脉冲 + 方向
void stepper_move(int steps, int direction, int delay_us) {
    HAL_GPIO_WritePin(DIR_PORT, DIR_PIN, direction);
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(STEP_PORT, STEP_PIN, GPIO_PIN_SET);
        delay_microseconds(delay_us);
        HAL_GPIO_WritePin(STEP_PORT, STEP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        delay_microseconds(delay_us);
    }
}

加减速控制：步进电机不能瞬间从静止到高速（会丢步），必须按梯形加速曲线或 S 曲线逐步加速：

\[ f(t) = f_0 + \frac{f_{\max} - f_0}{t_{\text{acc}}} \cdot t \quad \text{（线性加速）} \]

步进电机的优缺点

优点：

• 开环精确定位（不需要编码器！）
• 低速力矩大
• 控制简单（脉冲 + 方向）
• 保持力矩（断电能锁住）

缺点：

• 高速力矩急剧下降
• 效率低、发热大
• 存在共振区
• 丢步后无法检测（开环的代价）

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四、无刷直流电机（BLDC）

结构与原理

BLDC 可以理解为把有刷电机"翻了个个儿"：

	有刷 DC	BLDC
定子	永磁体	线圈绕组
转子	线圈绕组	永磁体
换向	机械（电刷 + 换向器）	电子（驱动器 + 霍尔传感器）

没有电刷 → 无磨损 → 寿命长 → 效率高

三相六步换向

BLDC 有三相绕组（A、B、C），通过按特定顺序给两相通电、一相悬空来产生旋转磁场：

步骤	A 相	B 相	C 相
1	+	−	悬空
2	+	悬空	−
3	悬空	+	−
4	−	+	悬空
5	−	悬空	+
6	悬空	−	+

每一步转子转过电角度 60°，6 步完成一个电周期（360° 电角度）。

位置检测

方法	原理	精度	成本
霍尔传感器	3 个霍尔元件检测转子磁场	60° 电角度分辨率	低
反电动势过零检测	检测悬空相的 BEMF 过零点	60° 电角度分辨率	最低（无传感器）
编码器	光电/磁编码器	连续高精度	高

反电动势（BEMF）

电机旋转时，永磁体运动在定子线圈中产生感应电动势，称为反电动势。它与转速成正比：\(e = K_e \omega\)。未通电的那一相就可以测到这个 BEMF，从而判断转子位置。

控制方法

1. 六步换向（方波驱动）：根据霍尔传感器或 BEMF 确定转子位置，按六步表切换导通相。简单但力矩有波动。
2. FOC（磁场定向控制）：更高级的控制方式，见 电机控制系统 章节。

BLDC 的优缺点

优点：高效率（>90%）、长寿命、高速性能好、力矩密度大

缺点：驱动电路复杂、成本较高、需要位置反馈

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五、永磁同步电机（PMSM）

PMSM vs BLDC

PMSM 和 BLDC 结构上非常相似（都是永磁转子 + 三相定子），但有本质区别：

	BLDC	PMSM
反电动势波形	梯形波	正弦波
驱动方式	方波（六步换向）	正弦波驱动
力矩波动	较大	小（平滑）
控制复杂度	较低	较高
效率	高	更高
位置检测	霍尔（60°分辨率够）	需要编码器（连续位置）

为什么 PMSM 更平滑？

BLDC 的梯形波驱动在换相时（每 60° 电角度）会产生力矩波纹。PMSM 用正弦电流驱动，电流与反电动势始终匹配，力矩恒定无波纹。

PMSM 的应用

• 机器人关节：需要平滑力矩输出
• 数控机床：高精度伺服
• 电动汽车：高效率大功率
• 无人机：高功率密度

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六、舵机（Servo）

舵机是一个集成了电机、减速器、位置传感器和控制电路的封装模块。

控制信号

标准舵机使用 PWM 信号控制角度：

PWM 脉宽	角度
0.5 ms	0°
1.0 ms	45°
1.5 ms	90°（中位）
2.0 ms	135°
2.5 ms	180°

PWM 周期通常为 20 ms（50 Hz）。

舵机分类

类型	特点	适用场景
模拟舵机	50Hz 更新率，反应较慢	低成本应用
数字舵机	300Hz+ 更新率，反应快	机器人、航模
总线舵机	串行总线通信，可级联	多关节机器人
连续旋转舵机	无角度限制，控制速度而非位置	小型移动机器人

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七、选型对比总结

电机类型	控制复杂度	效率	寿命	力矩特性	典型应用
有刷 DC	⭐	中	短	低速好	玩具、简单驱动
步进	⭐⭐	低	长	低速好，高速差	3D 打印机、CNC
BLDC	⭐⭐⭐	高	长	全速域好	无人机、电动工具
PMSM	⭐⭐⭐⭐	最高	长	全速域平滑	机器人关节、伺服
舵机	⭐	中	中	取决于内部电机	模型、简单机器人

选型经验

• 精度优先，开环简单 → 步进电机
• 高速高效率 → BLDC
• 平滑力矩，高性能伺服 → PMSM
• 最简单控制 → 有刷 DC 或舵机
• 机器人关节大多选择 BLDC/PMSM + 减速器 + 编码器 的组合