02 为小车选择合适的电机

◇温正伟

在选择好轮子之后，就需要选择与之相匹配的电机。制作一个智能小车最为基本的问题就是选择什么样的电机来做动力源，选择一个合适的电机会让制作更为顺利，机器人性能更好，这就会涉及功率、尺寸、转速、连接方式等因素。例如，在选择电机时功率选小了，可能会造成整个机器人安装好后，电机无法负载其重量，最后不得不重新制作电机驱动部分。如果转速选小了，则会让小车运行起来太慢。

能用于机器人制作的电机种类很多，而制作智能小车通常会选用直流电机、减速电机、舵机以及步进电机。因为本制作主要使用的是直流电机，限于篇幅只介绍直流电机。

2.1 直流电机的结构与参数

直流电机可以说是最便宜、最常见的电机种类，它的尺寸种类繁多，有小到能装到手机里的，也有大到能驱动大客车的。在业余条件下，制作智能小车一般选用有刷直流电机，无刷直流电机虽然效率高、性能好，但是价格贵，控制器制作复杂，一般不会选用。

有刷直流电机的基本结构如图2.1所示，由定子、转子以及电刷组成，工作原理也很简单。小型有刷直流电机的定子一般是由两块U形或一块环形永磁体组成，固定在外壳，并提供磁场，中心是转子，转子上有奇数对的线圈绕组，每一绕组与转子轴上的金属换向器相连，而金属换向器又与外壳上的一对电刷相接触，如图2.2所示。在电机运转的某一时刻，只有两组绕组A、C会通过电刷得电，绕组通电后产生磁场，而这时它会和一块永磁体排斥，而与另一块永磁体吸引，绕组便会带动整个转子转动，转到下一位置，这时换向器让其中一组绕组失电，而B组这时会得电，也就是说电刷会轮流让每组绕组得电，使得电机内的磁场力得不到平衡，不停地旋转。

有刷直流电机的工作电压范围比较宽，通常小型的有刷直流电机，额定工作电压一般有3V、6V、9V、12V、24V等，工作电压越大，电机的体积也会越大，也会有同样体积的电机而有不同工作电压的型号选择。电机工作电压的选定一般会依据所使用的电源电压去选择，制作小型的智能小车时，电源使用的只能是电池组，电压一般在3～12V，主控板使用的电压通常是5V（也有3.3V），这需要电池组稳压后得到，所以电池组一般会选择使用9V或12V，那么选择电机时最好也选用这些电压，这样不需要为电机提供额外的工作电压。还有更好的办法，就是单独为电机提供一组专用的电池作为工作电源，这也是一种避免控制电路受电机影响的常用方法，不过多一组电池也会增加小车的重量，加重电机的负载。

在一定范围内，直流电机输入电压低于或高于额定的工作电压也是可以正常运转的，只是输出转矩和速度都会有所下降，也就是机械输出功率和输入电压会成正比例关系。一般来说，直流电机的输入电压不要低于额定工作电压的一半，不要高于额定工作电压的1.2倍。要输出同样的功率，12V的电机所需要的电流是24V电机的2倍，这在选择时也是需要注意的。

在选定直流电机的工作电压后，还需要选择电流，电机的供应商一般会给出一个电机的空载电流，这是指电机没有带负载空转工作时的电流，而电机实际工作中还会遇到一个堵转电流，也就是说电机在遇到障碍不能转动时产生的电流。这个堵转电流，电机供应商一般不会给出，如果需要测量，可以在电机空转时用工具夹住输出轴，使其堵转，这时测得的电流就是堵转电流，要注意堵转的时间不应过长，以免电机发热损坏。直流电机带载工作时的需求电流和连续工作时间，是确定电池容量大小的关键，一般会用直流电机堵转电流的20%～50%来作为工作需求电流计算。

要衡量一只直流电机是否“强劲”，通常可以看它的转矩参数。转矩就是距轴心一定半径距离上所输出的切向力。转矩的单位为牛顿·米（N·m）。如果一个电机的输出转矩为1N·m，也就相当于在轴心上安装一个半径1m的大圆盘，而电机带着圆盘的边缘挂着0.1kg重物顺利旋转。小型直流电机在没有加装减速装置时转矩都比较小，负载力低，除了要制作要求速度的格斗、竞速机器小车外，一般不会直接使用没有减速装置的直流电机。

国内供应商一般会为了方便爱好者把转矩单位牛顿·米（N·m）转化成千克力·厘米（kgf·cm）。9.8N·m=1kgf·m，知道这个公式就可以自由转化所需要的单位。转矩是和距离成反比的，距离轴心越远得到的转矩就越小，所以这在选取电机或轮子大小时都需要考虑，轮子越大，所得到的切向力越小，负载能力也就越小。

转速带来的速度可能是智能小车给人最直观的印象，它也是直流电机选择的一项关键指标。供应商通常会给出一个以r/min为单位的数据，也就是“转/每分钟”，小型直流电机在没有安装减速装置时的最高转速一般会在5000～20000r/min，使用公式Vr=VmDπ/60，就可以计算出电机带动轮子时的速度。Vr为机器人的速度，Vm是电机的转速，D为轮子直径，D乘上圆周率则是轮子的周长。我们来计算一下，一个10000转的直流电机带动一只直径4cm的轮子，所能产生的速度是多少—10000 ×0.04× 3.14/60 = 20.9m/s，也就是说，这时机器人的速度会达到20.9m/s。

这个速度对于一个运行在室内的智能机器小车来说太快了，一般运行在室内的机器小车速度在0.1～0.5m/s，所以在选择电机和轮子时也可以此为参考。使用降低电压的方法或使用PWM方式调速都可以让电机在不附加机械装置的情况下得以减速，但这些方式都会导致输出转矩下降，甚至会让电机无法带载。那么，要想在不减少转矩的情况进行减速，就要使用到机械式的减速装置，可以使用齿轮、蜗轮、蜗杆、皮带等组成减速器。一般最常用的是齿轮组减速器。

2.2 电机的减速机构

市场上最容易购买到的减速直流电机是带有齿轮减速器的减速直流电机，一般装配有行星齿轮组或直齿齿轮组。行星齿轮组结构紧凑，占用空间小，输出力矩大，但是噪声相对直齿齿轮组要大，而且市场上直齿直流减速电机的种类也较多，各种输出比率的都有，所以选择直齿减速电机会方便一些。

典型的行星齿轮组结构如图2.3所示，其实它是十分容易分辨的，它的最外圈有一个环形的内齿。齿轮组的材质一般会有金属和塑料两种，金属齿轮组输出力矩可以做到很大，负载性能好，而且寿命比塑料的会长很多，当然价格也高很多。

如果你的机器小车将会重于1kg，最好选用金属齿的减速电机，小型的迷宫小车或循线小车本身重量轻，可以使用塑料齿的减速电机，能大大减少制作成本。减速电机齿轮组如果经常使用，需要定期加润滑机油，使它不至于过快磨损，同时也可以减少噪声，提高电机效率。图2.4所示是一种多级金属直齿直流减速电机的拆解图，图2.5所示则是塑料直齿减速电机和大小不一的金属直齿减速电机。

2.3 电机轴

电机的力矩是通过电机轴输出的，直流电机通过减速装置后，一般可以有同心轴输出或偏心轴输出。在智能小车上使用偏心轴输出有一个好处，就是轮子安装在偏心轴上后，小车的底盘会比用同尺寸的同心轴输出时离地高出许多。

图2.6是同心轴和偏心轴的比较图。直流电机除了单轴输出，还有一种是双轴输出，电机轴从两头贯穿整个电机，使用这种电机的好处就是可以在电机尾部的输出轴上加装编码盘，通过编码盘能检测到机器小车电机的实时运转速度，检测电机实时速度是实现电机PID功能的关键，当然检测的方式也不局限于使用输出轴安装编码盘。图2.7所示是一个双出轴的直流减速电机。

根据电机大小不一样，电机轴也会有不一样的直径，智能小车使用的直流电机输出轴直径会有3mm、4mm、5mm、6mm等多种规格。制作小型智能小车时，通常是直接把轮子通过联轴器安装在电机轴上的，这样整个小车的重量将会作用到电机输出轴上，电机轴除了输出轴向力也要承受一个向下的径向力。越重的机器人小车在选择电机时，应该选择输出轴直径越大的电机，过于细小的输出轴可能会发生变形。同时还要注意的就是，输出轴越长，轴的远端所受的径向力也越大，也就是说轴越长，越容易弯曲变形。

联轴器通常会使用刚性的，制作简单，安装方便，而且便宜。弹性的联轴器通常用于重型的机器人，可以在一定程度上减轻电机所承受的径向力，它还有一个作用就是不需要所联接的两个轴严格对中。也有便宜的弹性联轴器，比如使用胶管来制作联轴器，虽然便宜，但是制作安装相对复杂许多，所以制作普通的智能小车还是推荐使用简单的刚性联轴器。

图2.8所示是市面上最常见的用于制作智能小车的金属联轴器，在选购时要注意安装孔的规格和安装柱面形状是否对应所选的输出轴直径和轮子的安装位。安装方法也很简单，只要把轴插入联轴器内，用一两枚螺丝锁紧就可以了，如图2.9所示。

安装、固定电机的方法有很多种，有些直流减速电机已在外壳上留有安装孔，可以很方便地装上，有些则有另外的专用固定座，而大多数电机都是不配套专用的固定安装支架的，这时可以自行制作或购买能安装该电机的支架。笔者使用的安装支架是使用L形铝型材制作的，见图2.10。

网上有些机器人配件商店有可以安装不同电机的支架，图2.11所示则是42步进电机和它的成品安装支架，但是网上出售的也不一定会适合你手上的电机安装孔位，如果有足够的工具是可以自制的，因为它的结构一点都不复杂。图2.12所示是安装上直流减速电机和轮子的固定支架，机器小车最基本的电机驱动部分的制作工作就可以告一段落了。表2.1、表2.2分别是笔者所选用的电机和轮子的一些参数和计算，供读者参考。