電機為物流移動機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，物流移動機器人（AGV/AMR）的發(fā)展在業(yè)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。電機是構(gòu)成物流移動機器人產(chǎn)品的重要的配套件之一，本文對電機相關(guān)知識和****觀點經(jīng)驗機械能梳理整合，介紹了物流移動機器人電機市場的基本格局及發(fā)展?fàn)顩r，以供業(yè)內(nèi)參考。

電機的分類及特點

電機（Electric machinery），俗稱“馬達”，是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(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械的動力源。按工作電源種類劃分，電機可分為直流電機和交流電機。其中，直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分為無刷直流電動機和有刷直流電動機；電機按用途可劃分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機，控制用電動機又可劃分為步進電動機和伺服電動機等。

物流移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，主要由驅(qū)動電源、電機和減速裝置組成。電機作為一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的配套件，在物流移動機器人中扮演著重要角色，電機的性能參數(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，即車輛的運動速度和驅(qū)動力直接決定整車的動力特性。電機種類繁多，在物流移動機器人中主要用到的電機包括四種：直流有刷電機、直流無刷電機、直流伺服電機、步進電機。

據(jù)蘇州牧星智能科技有限公司CTO黃志明先生介紹，一臺物流移動機器人設(shè)備上通常會用到多臺、多種類型的電機。因為如今的物流移動機器人除運動行走外，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輸出動力。物流移動機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*少要一對兩個電機。叉車式物流移動機器人用舵輪比較多，一組舵輪就是兩個電機。邁輪*少三個輪子，每個輪子*少需要1個電機。因此，一般的物流移動機器人，即便只是行走加上其他一些基本功能，*少也需要4、5個電機。如果動作功能復(fù)雜些，需要的電機則更多。

蘇州牧星智能科技有限公司 CTO 黃志明

不同類型的電機，具有不同的特點：

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

直流無刷電機。直流無刷電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化。與有刷電機*明顯的不同是，采用電子換向，去掉電刷。電機主體由三個繞組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。與有刷電機相比，直流無刷電機具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性等優(yōu)點，但控制相對復(fù)雜一些，需要專用的控制器。

直流伺服電機。直流伺服采用永磁同步電機，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：伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣與伺服電機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，同時又接收多少脈沖回來，從而能夠很**地控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)**定位，可以達到0.001mm。與直流無刷電機相同的是，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，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子任意位置的停止。直流伺服電機具有效率高、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)動平滑、力矩穩(wěn)定、運行噪聲小等優(yōu)點，可在速度模式和位置模式運行。

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

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步距角），其旋轉(zhuǎn)是以固定角度一步一步運行，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量。同時，可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動速度，從而達到調(diào)速的目的。與直流伺服電機相比，步進電機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)行機構(gòu)中。

總體而言，各類電機中，如果從控制精準(zhǔn)度來說，則伺服調(diào)速精度*高，步進次之，直流有刷及無刷電機*低。伺服電機一般都是被使用在精度要求高的場合，而無刷電機只用在精度不是特別高的地方，步進電機居中，但步進電機的轉(zhuǎn)速沒有無刷電機快。

對于AGV智能小車所用的電機，用戶可以從出發(fā)點、側(cè)重點來考慮，進而選擇合適的電機。如果側(cè)重于對設(shè)備實現(xiàn)精準(zhǔn)控制的話，就用伺服電機；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。不同產(chǎn)品之間，價格也相差懸殊，伺服電機價格*高，無刷電機價格*低。

電機市場格局及選型考慮因素

關(guān)于目前物流移動機器人用電機市場的市場格局，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)理汪奇健先生進行了采訪。他們都認(rèn)為，電機是技術(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。物流移動機器人對電機要求并沒有特別高，國內(nèi)的技術(shù)能力、產(chǎn)量等等基本都能滿足。

據(jù)黃志明進一步介紹，物流移動機器人廠家采購電機的考慮因素主要有幾方面：從成本角度看，電機在一臺物流移動機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器人制造商直接采購電機廠家標(biāo)準(zhǔn)型號的電機。在電機制造商中，上海步科公司和北京和利時公司在物流移動機器人電機領(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器人廠家，現(xiàn)在更傾向直接到廠家定制相關(guān)的電機產(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器人的功能也更加匹配。”

從物流移動機器人功能實現(xiàn)的角度看，物流移動機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)物流移動機器人平穩(wěn)運行時，需要電機輸出的功率反而不需要太高。因此，從經(jīng)濟性角度考慮，如果要保證物流移動機器人順利啟動，就需要電機功率比較大，但是達到平穩(wěn)運行時就會浪費冗余的功率。因此，物流移動機器人廠家采購電機，會考慮瞬時過載能力比較強的電機，也就是啟動時瞬間輸出功率比較大，但是平常正常運行時功率比較小的電機。“有點像過去電腦攢機，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行的需求。”同樣的道理，物流移動機器人廠家采購電機，一般要求其瞬時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相比性價比要高得多。

物流移動機器人廠家采購電機還需考慮車體制造需求

此外，物流移動機器人廠家采購電機還要考慮物流移動機器人車體制造需求。盡管現(xiàn)在各家物流移動機器人車體結(jié)構(gòu)千差萬別，但是總體來說物流移動機器人車體的空間尺寸有限，需要電機能量密度要高，即小身體要有大能量。如2020年步科研發(fā)團隊在***代低壓伺服電機的基礎(chǔ)上研發(fā)了新一代的G2和超短機身的極智系列低壓伺服電機，新一代電機采用全新的5對極電磁設(shè)計方案，新電機具有以下特點：超短機身：極智系列在保證不損失功率的情況下，機身結(jié)構(gòu)重新設(shè)計極大地縮短了機身長度，電機長度平均縮短30%以上，200W電機機身長度*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，由于物流移動機器人用電機在設(shè)計上既要求增加出力，又要求減小體積，還有瞬間過載能力的要求，這都給電機的設(shè)計和制造提出更高要求。在物流移動機器人的運行使用中，既要充分發(fā)揮電機的過載能力，還必須考慮電機頻繁啟動、過載運行造成的損耗，要免于損壞，從而提高電機系統(tǒng)的可靠性和物流移動機器人生產(chǎn)運行的連續(xù)性。現(xiàn)在很多電機廠家已經(jīng)設(shè)計出一種減速機與低壓伺服一體化的方案，可以從體積上更好地服務(wù)于物流移動機器人更小機身的設(shè)計需求。這種電機結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、噪音低等優(yōu)點，從而滿足物流移動機器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的應(yīng)用場景需求。而為了進一步提高產(chǎn)品運行的準(zhǔn)確性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，物流移動機器人驅(qū)控一體化設(shè)計被認(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、電機等全部集成到一起，形成一個高度集成和智能化的設(shè)備，不僅能夠幫助提高這些產(chǎn)品的各項性能，也能夠進一步降低成本。