電機(jī)為物流移動機(jī)器人的行走和其他動作功能提供動力

作為智能化物流裝備，物流移動機(jī)器人（AGV/AMR）的發(fā)展在業(yè)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。電機(jī)是構(gòu)成物流移動機(jī)器人產(chǎn)品的重要的配套件之一，本文對電機(jī)相關(guān)知識和****觀點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)機(jī)械能梳理整合，介紹了物流移動機(jī)器人電機(jī)市場的基本格局及發(fā)展?fàn)顩r，以供業(yè)內(nèi)參考。

電機(jī)的分類及特點(diǎn)

電機(jī)（Electric machinery），俗稱“馬達(dá)”，是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動力源。按工作電源種類劃分，電機(jī)可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。其中，直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分為無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)；電機(jī)按用途可劃分為驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)，控制用電動機(jī)又可劃分為步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。

物流移動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，主要由驅(qū)動電源、電機(jī)和減速裝置組成。電機(jī)作為一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的配套件，在物流移動機(jī)器人中扮演著重要角色，電機(jī)的性能參數(shù)及減速裝置規(guī)格型號的確定直接決定著整車的動力性，即車輛的運(yùn)動速度和驅(qū)動力直接決定整車的動力特性。電機(jī)種類繁多，在物流移動機(jī)器人中主要用到的電機(jī)包括四種：直流有刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

據(jù)蘇州牧星智能科技有限公司CTO黃志明先生介紹，一臺物流移動機(jī)器人設(shè)備上通常會用到多臺、多種類型的電機(jī)。因?yàn)槿缃竦奈锪饕苿訖C(jī)器人除運(yùn)動行走外，還集合了很多其他動作功能，如頂升、旋轉(zhuǎn)等動作，還有提升背簍、啟動伸縮貨叉等；這些動作都需要通過電機(jī)輸出動力。物流移動機(jī)器人行走主要采用三種模式——差速、舵輪、邁輪式三種。差速式的AGV*少要一對兩個(gè)電機(jī)。叉車式物流移動機(jī)器人用舵輪比較多，一組舵輪就是兩個(gè)電機(jī)。邁輪*少三個(gè)輪子，每個(gè)輪子*少需要1個(gè)電機(jī)。因此，一般的物流移動機(jī)器人，即便只是行走加上其他一些基本功能，*少也需要4、5個(gè)電機(jī)。如果動作功能復(fù)雜些，需要的電機(jī)則更多。

蘇州牧星智能科技有限公司 CTO 黃志明

不同類型的電機(jī)，具有不同的特點(diǎn)：

直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動機(jī)），或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，具有啟動快、制動及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點(diǎn)。與此同時(shí)，因?yàn)殡娝⒑蛽Q向器的存在，容易產(chǎn)生火花，特定場合容易產(chǎn)生危險(xiǎn)；并且，電刷和換向器之間一直存在物理摩擦，使用壽命不長，具有需要后期維護(hù)等缺點(diǎn)。在物流移動機(jī)器人中，如果控制電路簡單，在對電機(jī)使用壽命沒有過高要求的場合中，可以選用直流有刷電機(jī)。

直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化。與有刷電機(jī)*明顯的不同是，采用電子換向，去掉電刷。電機(jī)主體由三個(gè)繞組A、B、C組成，采用對稱星形接法。轉(zhuǎn)子是永磁體。為了檢測轉(zhuǎn)子位置，常內(nèi)置霍爾傳感器。與有刷電機(jī)相比，直流無刷電機(jī)具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但控制相對復(fù)雜一些，需要專用的控制器。

直流伺服電機(jī)。直流伺服采用永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)與直流無刷區(qū)別不大，只是繞組的反電動勢不同，直流無刷的發(fā)電動勢接近方波，更適合六步方波控制，永磁同步電機(jī)的發(fā)電動勢為正弦波，更適合矢量控制。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解：伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)樗欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣與伺服電機(jī)接收的脈沖形成呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)。如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)出多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又接收多少脈沖回來，從而能夠很**地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)**定位，可以達(dá)到0.001mm。與直流無刷電機(jī)相同的是，需要專用的驅(qū)動器來控制，采用更復(fù)雜的矢量控制算法。除采用霍爾傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，還會采用編碼器來檢測轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子任意位置的停止。直流伺服電機(jī)具有效率高、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)動平滑、力矩穩(wěn)定、運(yùn)行噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，可在速度模式和位置模式運(yùn)行。

物流移動機(jī)器人的行走電機(jī)常采用直流伺服電機(jī)或直流無刷電機(jī)，在對精度要求較高的場合常采用直流伺服電機(jī)。根據(jù)電機(jī)本體和驅(qū)動器的形式，可以分為分體式和一體式。分體式的，驅(qū)動器和電機(jī)本體分開，適用于大功率場合；一體式的，驅(qū)動器和電機(jī)本體組裝在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于功率較小、對體積有要求的場合。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（步距角），其旋轉(zhuǎn)是以固定角度一步一步運(yùn)行，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量。同時(shí)，可通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。與直流伺服電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，速度響應(yīng)性能比伺服小，主要用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。

總體而言，各類電機(jī)中，如果從控制精準(zhǔn)度來說，則伺服調(diào)速精度*高，步進(jìn)次之，直流有刷及無刷電機(jī)*低。伺服電機(jī)一般都是被使用在精度要求高的場合，而無刷電機(jī)只用在精度不是特別高的地方，步進(jìn)電機(jī)居中，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速沒有無刷電機(jī)快。

對于AGV智能小車所用的電機(jī)，用戶可以從出發(fā)點(diǎn)、側(cè)重點(diǎn)來考慮，進(jìn)而選擇合適的電機(jī)。如果側(cè)重于對設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的話，就用伺服電機(jī)；如果AGV智能小車對調(diào)速要求不必很精準(zhǔn)，可以用無刷電機(jī)。不同產(chǎn)品之間，價(jià)格也相差懸殊，伺服電機(jī)價(jià)格*高，無刷電機(jī)價(jià)格*低。

電機(jī)市場格局及選型考慮因素

關(guān)于目前物流移動機(jī)器人用電機(jī)市場的市場格局，本刊記者對蘇州牧星公司CTO黃志明先生和寧波中大力德智能傳動股份有限公司智能物流事業(yè)部經(jīng)理汪奇健先生進(jìn)行了采訪。他們都認(rèn)為，電機(jī)是技術(shù)發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，能夠給市場提供產(chǎn)品的廠家也比較多，因此市場競爭比較充分，屬于買方市場的格局，電機(jī)技術(shù)相對成熟，國內(nèi)廠家基本能滿足中國市場需求。物流移動機(jī)器人對電機(jī)要求并沒有特別高，國內(nèi)的技術(shù)能力、產(chǎn)量等等基本都能滿足。

據(jù)黃志明進(jìn)一步介紹，物流移動機(jī)器人廠家采購電機(jī)的考慮因素主要有幾方面：從成本角度看，電機(jī)在一臺物流移動機(jī)器人中所占比例大體不超過10%。大部分產(chǎn)量規(guī)格比較小的物流移動機(jī)器人制造商直接采購電機(jī)廠家標(biāo)準(zhǔn)型號的電機(jī)。在電機(jī)制造商中，上海步科公司和北京和利時(shí)公司在物流移動機(jī)器人電機(jī)領(lǐng)域布局較早，占據(jù)比較大的市場份額。而包括蘇州牧星在內(nèi)的一些規(guī)模比較大的物流移動機(jī)器人廠家，現(xiàn)在更傾向直接到廠家定制相關(guān)的電機(jī)產(chǎn)品。“我們可以根據(jù)自身產(chǎn)品需求提出更細(xì)致的要求，同時(shí)可以把標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中不需要的功能省略掉。這樣做初期研發(fā)成本比較高，但是量產(chǎn)后成本就能降下來，產(chǎn)品性能與我們物流移動機(jī)器人的功能也更加匹配。”

從物流移動機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的角度看，物流移動機(jī)器人的移動首先需要啟動，因此負(fù)責(zé)輸出移動動力的電機(jī)需要瞬間扭矩比較高，需要的瞬間功率也比較高。但是，當(dāng)物流移動機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，需要電機(jī)輸出的功率反而不需要太高。因此，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，如果要保證物流移動機(jī)器人順利啟動，就需要電機(jī)功率比較大，但是達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)就會浪費(fèi)冗余的功率。因此，物流移動機(jī)器人廠家采購電機(jī)，會考慮瞬時(shí)過載能力比較強(qiáng)的電機(jī)，也就是啟動時(shí)瞬間輸出功率比較大，但是平常正常運(yùn)行時(shí)功率比較小的電機(jī)。“有點(diǎn)像過去電腦攢機(jī)，在預(yù)算有限的情況下，會選擇超頻性能比較好的CPU，既能夠滿足程序啟動的需求，又能夠滿足程序正常運(yùn)行的需求。”同樣的道理，物流移動機(jī)器人廠家采購電機(jī)，一般要求其瞬時(shí)過載功率能超過其標(biāo)定功率的2至3倍，這樣與直接采購大功率電機(jī)相比性價(jià)比要高得多。

物流移動機(jī)器人廠家采購電機(jī)還需考慮車體制造需求

此外，物流移動機(jī)器人廠家采購電機(jī)還要考慮物流移動機(jī)器人車體制造需求。盡管現(xiàn)在各家物流移動機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)千差萬別，但是總體來說物流移動機(jī)器人車體的空間尺寸有限，需要電機(jī)能量密度要高，即小身體要有大能量。如2020年步科研發(fā)團(tuán)隊(duì)在***代低壓伺服電機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)了新一代的G2和超短機(jī)身的極智系列低壓伺服電機(jī)，新一代電機(jī)采用全新的5對極電磁設(shè)計(jì)方案，新電機(jī)具有以下特點(diǎn)：超短機(jī)身：極智系列在保證不損失功率的情況下，機(jī)身結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)極大地縮短了機(jī)身長度，電機(jī)長度平均縮短30%以上，200W電機(jī)機(jī)身長度*短可以做到46.5mm。極短的長度可以為客戶設(shè)備節(jié)省更多安裝空間，有利于物流移動機(jī)器人車身尺寸，使設(shè)備小型化，提高整體空間利用率。

據(jù)汪奇健介紹，由于物流移動機(jī)器人用電機(jī)在設(shè)計(jì)上既要求增加出力，又要求減小體積，還有瞬間過載能力的要求，這都給電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提出更高要求。在物流移動機(jī)器人的運(yùn)行使用中，既要充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，還必須考慮電機(jī)頻繁啟動、過載運(yùn)行造成的損耗，要免于損壞，從而提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性和物流移動機(jī)器人生產(chǎn)運(yùn)行的連續(xù)性。現(xiàn)在很多電機(jī)廠家已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種減速機(jī)與低壓伺服一體化的方案，可以從體積上更好地服務(wù)于物流移動機(jī)器人更小機(jī)身的設(shè)計(jì)需求。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，從而滿足物流移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的應(yīng)用場景需求。而為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品運(yùn)行的準(zhǔn)確性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，物流移動機(jī)器人驅(qū)控一體化設(shè)計(jì)被認(rèn)為是未來的發(fā)展方向。

驅(qū)控一體就是把驅(qū)動器、控制器、編碼器、電機(jī)等全部集成到一起，形成一個(gè)高度集成和智能化的設(shè)備，不僅能夠幫助提高這些產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，也能夠進(jìn)一步降低成本。