&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-6bfa95ecaa1c71ed7bf7_b.jpg& data-rawwidth=&1024& data-rawheight=&768& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1024& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-6bfa95ecaa1c71ed7bf7_r.jpg&&&/figure&&p&电磁现象由麦克斯韦方程组的四个方程描述。
它们涉及两个场：电场（E）和磁场（B）。
电场的存在取决于空间内是否具有电荷：正（例如质子或带正电的离子）或负（例如电子或带负电的离子）时。相比之下，则没有“磁电荷”这样的东西。
磁场仅在电场变化时或电荷移动时出现。
反过来，磁场的变化产生电场，这就是电磁辐射的基本原理：变化的电场引起磁场，并且该磁场的积聚（因此是变化的磁场）导致电场的建立等等。但是它是具体是怎么样的呢？
在详细解释他们之前，我需要介绍一些更基本的物理图像：&/p&&p&从麦克斯韦方程中，我们可以计算电场（E）和磁场（B）的大小。实际上，E和B的一个特定函数形式是我们求解麦克斯韦方程组时得到的，我们得到只是一个特定瞬间的解，他们只是一个特定的参考系下的解：如果我们切换到另一个参考系，E和B的解会有所不同。嗯？
为什么会这样呢。
根据相对性原理，我们不能在任何绝对意义上说哪些电荷是“固定的”，哪些电荷是“移动的”：这一切都取决于我们所用的参考系。&/p&&p&如果我们在这些空间中加入电荷，对它的力也会不同吗？是的。
从一个参考系切换到另一个参考系时，得到的力会是不同的。但是，
物理效应必然是相同的，无论我们取哪个参考系。如果我们观察在相对于导线静止的坐标系中沿着载流导线移动的电荷q，其具有与传导电子（&em&v&/em&0）相同的速度（&i&v&/i&），则整个对电荷的力将是“磁性的”：F = q&i&v&/i&0×B和E = 0。现在我们切换到另一个参考系，如果我们从与q一起移动的参考系下观察相同的情况，则我们的电荷处于静止，因此是没有磁力的。电荷所受的力必须来自电场！但是为什么会有电场？我们的载流导线应该是中性的！嗯...事实证明，我们的“中性”电线似乎在移动时充电。我将详细解释 - 为什么会这样。正如费曼所说的“we should not attach too much reality to E and B, because they
appear in different ‘mixtures’ in different coordinate systems”，事实上，你可能没有听说磁性实际上只是电的“相对论效应”。稍后我会做详细解释，现在你先在大脑里植入这个物理图像，磁性只是电效应的另一个表达形式。&/p&&p&上面的说法与我在提出麦克斯韦方程之前要说的另一个“显而易见”的事情有关：场在电磁学中非常重要，它对描述电荷运动非常重要。比如我们想知道在电磁场中一个运动的电荷将受怎么样的力以及做怎样的运动。
换句话说，我们想要找到电荷的运动方程，那么我们首先得确定电荷受的力，因为力决定电荷的动量将如何改变：F = dp / dt = d（mv）/ dt（即牛顿运动方程）。速度&b&&i&v&/i&&/b&电荷在电磁场运动受的力可以用洛伦茨方程表达：&/p&&p&F = q(E + &i&v&/i&×B)
= qE + q(&i&v&/i&×B)&/p&&p&这是两个矢量的和：qE是电力：力与电场方向相同，但大小等于q乘E。q(&em&v&/em&×B) 是“磁”力：该力取决于和B两者。其方向由用于矢量叉积的所谓的右手规则给出。&/p&&p& 右手的定则如下所示。
注意，如果我们切换a和b，b×a方向将向下。q(&em&v&/em&×B)的大小由|&i&v&/i&×B|=|&i&v&/i&||B|sinθ 给出（其中θ是v和B之间的角度）。&/p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-85dac6ac28d047bdaf55_b.jpg& data-rawwidth=&150& data-rawheight=&136& class=&content_image& width=&150&&&/figure&&br&&p&现在我们知道电荷运动的方向和受的力的大小， 那么电荷的运动轨迹也就轻而易举的可以描述出来了。接下来为了更好的理解理解麦克斯韦方程，我们需要学习和理解与矢量场相关的两个概念：通量和环流量。
这两个概念最好参照描述液体流动的矢量场来说明：&/p&&p& 如果我们有一个表面，通量将给我们每单位时间流出表面的净流量。
下面的例子（我从费曼的物理学讲义中摘出来的）给出了一个正式的定义：环流量=（垂直分量）o（面的面积）&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-43bed99a23a2d6916ec72a_b.jpg& data-rawwidth=&400& data-rawheight=&340& class=&content_image& width=&400&&&/figure&&p&环流量的概念可以比作围绕一些环的一些净旋转运动。
事实上，这正是它的描述。
我再次使用了费曼的插图（和描述），因为我找不到比它更好的描述了。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-17d6e4baca2d_b.jpg& data-rawwidth=&400& data-rawheight=&584& class=&content_image& width=&400&&&/figure&&br&&p&图（a）给出了液体中的速度场。 现在，假设一个（均匀横截面的）管（如（b）所示）遵循一些任意闭合曲线，然后想象我除了在管内部以外的液体都冻结了：那么在管中的液体将，遵循如图所示
（C）的循环运动。
形式上，环流量定义为：环流量=（平均切向分量）o（环的长度）&/p&&br&&p&好，让我再次回到电磁学上来，我们的高中物理课程的描述的电场E如下图两个例子所示. 事（a）（中性）导电片附近的（正）电荷，和（b）彼此相邻的两个相反电荷。
注意惯例：场线从正电荷发出。
这是否意味着力也在这个方向？
是。 但记住：这两个电荷是相互吸引的 所以力有两个方向的！&/p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-b3be8fc2f8914edcf9c3a_b.jpg& data-rawwidth=&531& data-rawheight=&816& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&531& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-b3be8fc2f8914edcf9c3a_r.jpg&&&/figure&&p&我们还能从这个例子得到什么呢？嗯，很明显，电场E的方向是径向的。借助我们之间所介绍的通量和环流量，我们说从（正）点电荷有一个流出的通量。此外，很明显的通量应该与电荷成正比，如果我们把电荷的量加倍，通量也会翻倍。这给了我们麦克斯韦的第一个方程：&/p&&p&通过闭合表面的电场E通量=（内部净电荷）&b&/ε0&/b&&/p&&p& 注意，我们在这里说一个封闭的表面，例如一个球体 - 但它不一定是一个很好的对称形状：麦克斯韦的第一个方程适用于任何封闭的表面。上面的表达式是库仑定律，你也肯定会从你的高中物理课学到这个定律：虽然它看起来很不同，这是一样的。这只是因为我们在这里使用的通量概念，我们似乎得到一个完全不同的表达式。但是：它与库仑定律相同。至于&b&ε&/b&&b&0&/b&因子，这只是一个电学常数，叫做真空介电常数，约为 8.×10??? F/m。它衡量电场怎样影响介电质，怎样被介电质影响。&/p&&p& 对于磁场B，我们有一个相似的定律：&/p&&p& B通过闭合表面的通量= 0&/p&&p&也许你会说这不一样。嗯，没有，这是一样的，因为上面的表达式右边的零，“磁”电荷是不存在的。嗯，但是，如果我们得到通过闭合表面任何通量的B为零，是因为“磁电荷”不存在，那么我们如何得到磁场呢？你应该从你的高中物理课程上学过：磁场是由（1）运动电荷（即电流或流量的电流）或（2）改变电场得到的。&/p&&p&运动电荷产生磁场如下所示：到线中的电流在线周围产生一些B的环流量。至于环流量有多大？没有多大：磁效应与电效应相比非常小（这与磁性是电的相对论效应有关，我稍后将会解释）。准确地说，方程如下：&/p&&br&&p&&em&c^&/em&2（B的循环）=（电流通量）&b&/ε&/b&&b&0&/b&&/p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-ad14ae422b2f571bf43a9d46dc7c1171_b.jpg& data-rawwidth=&343& data-rawheight=&374& class=&content_image& width=&343&&&/figure&&br&&p&&em&至于&/em&&em&c^&/em&2，c是光的速度,约为3.00×10^8m/s， &em&c^&/em&2 是光速的平方是一个非常大的常数， 所以你可以看到我们说B的环流量是非常小的！B环流量的方向是什么？ 嗯，有一个所谓的右手定则，如下图所示。&/p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-423ccd235bac819f9d29f_b.jpg& data-rawwidth=&407& data-rawheight=&301& class=&content_image& width=&407&&&/figure&&br&&p&好。 让我们去看情况（2）：变化的电场。 这种效应通常用法拉第在1831实验来说明，下面用一个更现代的电压表来说明：当铁环一侧的导线连接到电池时，我们将在另一侧看到瞬态电流。
它只是瞬态，所以电流会迅速消失。
这就是为什么变压器不使用直流。
事实上，据说法拉第非常失望地看到电流会迅速的消失！
同样，当导线断开时，我们将暂时看到另一个瞬态电流。&/p&&br&&p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-bad2ce3cdd596f0c04bf2_b.jpg& data-rawwidth=&800& data-rawheight=&282& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&800& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-bad2ce3cdd596f0c04bf2_r.jpg&&&/figure&这种效应是由于变化的电场，这导致变化的磁场。 但是磁场在哪里呢？ 我们在这里谈论的是电流，不是吗？ 你是对的。 要了解为什么我们在电压表中有瞬态电流，你需要了解另一个效应：变化的磁场会产生电场，这就是实际产生瞬态电流的原因。 然而，在铁环中发生的是磁效应，并且这是由于当我们将电池连接/断开到电线时改变的电场引起的。描述这种情况的方程是什么？ 该方程涉及通量和环流量，因此我们假设一个表面（S）以及曲线（C）。
方程如下：对于任何表面S，我们变化的电场产生磁场有：&/p&&p&c^2（B在C周围的环流量）= d（E通过S的通量）/ dt&br&&/p&&p& 变化的磁场产生电场，其方程看起来非常相似，除了我们没有c^2因子：&/p&&p& E周围的环流量C = d（B通过S的通量）/ dt&/p&&p& 让我们来谈一谈c^2。 这只是是一个比例因子：E的任何变化只会导致B的一点变化（因为第一个方程中的&i&c^2&/i&因子），它与磁性是电的相对论效应有关，所以磁效应在大多数情况下与电效应相比是微小的，除非当我们谈论以相对速度移动的电荷（即速度接近到光速）。&/p&&br&&p& 我们现在可以将上述所有方程全部组和起来就可以得到麦克斯韦的四个方程：&/p&&p& 1通过闭合表面的电场E的通量=（内部净电荷）&b&/ε0&/b&&/p&&p& 2 电场E周围的环流量C = d（B通过S的通量）/ dt（C是面S周围的曲线或边缘）&/p&&p&3 通过闭合表面的磁场B的通量= 0&/p&&p&4 c^2（B在C周围的环流量）= d（E通过S的通量）/ dt +（电流通量）&b&/ε0&/b&&/p&&br&&p&从数学的角度来看，这只是一组微分方程，他们不容易直观地掌握。正如费曼所说：“The laws of Newton were very simple to write down, but they had a
lot of complicated consequences and it took us a long time to learn about them
all. These laws are not nearly as simple to write down, which means that the
consequences are going to be more elaborate and it will take us quite a lot of
time to figure them all out.” &/p&&p&麦克斯韦方程组可以总结如下&br&&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-d582319fcfb291a1b55b6_b.jpg& data-rawwidth=&889& data-rawheight=&569& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&889& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-d582319fcfb291a1b55b6_r.jpg&&&/figure&这四个方程是我们已经解释的方程，但是在数学符号中：通量和环流量可以使用微分算子?确实更加优雅地表示。 至于麦克斯韦方程组的解，你可以看到它们使用两个其他概念表示：电势Φ和矢势A.现在，我不打算继续深入讨论电势Φ和矢势A，以后有空再说吧。&br&&/p&&br&&p&参考书：The Feynman Lectures on Physics，Volume II mainly electromagnetism and matter&/p&
电磁现象由麦克斯韦方程组的四个方程描述。
它们涉及两个场：电场（E）和磁场（B）。
电场的存在取决于空间内是否具有电荷：正（例如质子或带正电的离子）或负（例如电子或带负电的离子）时。相比之下，则没有“磁电荷”这样的东西。
磁场仅在电场变化时或…
&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-43d094b513da3fc4485fcc16c08e1310_b.jpg& data-rawwidth=&598& data-rawheight=&426& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&598& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-43d094b513da3fc4485fcc16c08e1310_r.jpg&&&/figure&&p&&b&一.同步发电机励磁系统&/b&&br&&/p&&br&&p&一般来说，发电机组由发动机（提供动能）、发电机（产生电流）、控制系统组成。 风力发电机依靠风力带动发电机转动，产生电流； 水力发电机利用水流的落差，产生动力带动发电机发电。 燃油发电机依靠柴油或汽油燃烧产生动力带动发电机组。尽管各种各样发电系统的动力来源可能不尽相同，但是它们都有一个很重要的共有部分，那就是发电机。生产生活中我们使用的电能来自发电厂，而它们离不开发电机。其转子可以由水轮机，汽轮机，内燃机等来带动，主要部件如下图所示。&br&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/80dbbefcf23e78ad6648_b.jpg& data-rawwidth=&584& data-rawheight=&374& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&584& data-original=&https://pic2.zhimg.com/80dbbefcf23e78ad6648_r.jpg&&&/figure&&br&目前我们人类所利用的电能，99%都是同步发电机发出的。同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个&b&直流磁场。&/b&而产生这个磁场的直流电流，称为&b&发电机的励磁电流&/b&。我们根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称之为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。&/p&&p&&br&同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于&b&向发电机的磁场绕组提供直流电流&/b&，以建立直流磁场，通常称为&b&励磁功率输出部分&/b&（或称为功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部分（或称为控制单元）。&br&&br&&b&二.同步发电机电压调节&/b&&/p&&p&&br&维持发电机的端电压等于给定值是电力系统调压的主要手段，&b&那么如何保证同步发电机的端电压为给定值呢？&/b&&br&&br&我们说，在负荷变化的情况下，&b&必须通过调节励磁的方式。&/b&
下面以发电机的简化相量图来分析一下其具体原理。&br&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-791be346e2fd8aad36ac_b.jpg& data-rawwidth=&551& data-rawheight=&565& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&551& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-791be346e2fd8aad36ac_r.jpg&&&/figure&由上图可得： &figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-d61ecdb0e35d_b.jpg& data-rawwidth=&113& data-rawheight=&27& class=&content_image& width=&113&&&/figure&式中：
Eq——发电机的空载电势；Uf——发电机的端电压；If——发电机的负荷电流比例。&/p&&p&上式说明，在发电机空载电势Eq恒定的情况下，发电机端电压Uf 会随负荷电流If 的加大而降低，&b&为保证发电机端电压Uf 恒定，必须随着发电机负荷电流If 的增加（或减小），增加（或减小）发电机的空载电势Eq ，而Eq 又是发电机励磁电流Ifq 的函数&/b&（若不考虑饱和，Eq 和Ifq
成正比），故在发电机运行中，随着发电机负荷电流的变化，必须调节励磁电流来使发电机端电压恒定。&/p&&p&&b&三. 永磁发电机&/b&&br&&/p&&p&除了上面说到的励磁发电机，发电机组中还有一类永磁发电机。它与励磁发电机的最大区别在于它的&b&励磁磁场是由永磁体产生的&/b&。 永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁发电机转子采用钢结构，表面按顺序嵌放永磁体，转子表面磁通强、重量轻、体积小、无触点，整机唯一磨损部位是轴承。&br&&/p&&p&此外，在功率等级相同的情况下，永磁式发电机处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴 电枢反电抗 Xad 较电励磁同步电机小很多，因而&b&电压调整率也比电励磁同步电机小&/b&，输出波形接近正弦波，输出电压稳定、线电压畸变小，输出电压波形好。&/p&&p&永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在 额定转速范围内平均效率只有 65%，而永磁式发电机则可高达 83%以上。&/p&&p&&b&四. 有功和无功的控制&/b&&br&&/p&&p&在电力系统之中运行的发电机既带有有功负载，又带有无功负载，有功电流的变化会影响发电机的转速和频率，无功电流的变化会影响发电机的电压。&b&为了保证发电机的频率和电压的稳定，必须及时调节发电机的输入功率和励磁电流。那么问题是具体该如何调节呢？&/b&&/p&&p&有功功率的调节——即原动机输入功率的调节。&/p&&br&&p&同步发电机与无穷大电网并联时，当发电机刚投入电网还没有向电网送出有功负荷时，假设我们忽略发电机的空载损失，则此时发电机处于“空接”在电网上的状态。 如果要向电网发出有功功率，就必须&b&增加发电机的输入功率&/b&，即加大火力发电厂中&b&汽轮机汽门的开度&/b&，或水力发电厂中&b&水轮机水门的开度&/b&或者&b&风力发电厂的风速&/b&等，增大原动机的出力，增加原动机的力矩。&/p&&p&此时由于作用在发电机转轴上力矩的增大，就会使发电机转子加速，于是发电机主磁极的位置将逐步超前，随着主极的超前，发电机激磁电势（?0）将超前于端电压（电网电压?），相应的，功率角（δ）及电磁功率（Pm）将逐步增大，这样输入功率和输出功率之间将逐步恢复平衡，保持在新的工作点同步运行。如下图&br&&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-97f1cff266c6be764bd43b4e715bdf48_b.jpg& data-rawwidth=&577& data-rawheight=&318& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&577& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-97f1cff266c6be764bd43b4e715bdf48_r.jpg&&&/figure&&p&在实际的调控过程中，有功功率的调节需要注意几个问题：&/p&&p&（1）增加有功功率的速度应遵照有关规程的规定，或制造厂家的要求。&b&有功功率增加的速度不宜太快&/b&，否则将对发电机的结构产生不利的影响。当然也不应无根据的限制有功功率增长的速度，这将延误供电时间，特别是在事故情况下，尤为重要。&/p&&p&（2）有功功率的调节还要特别&b&注意原动机输入功率的配合问题&/b&，特别是火力发电厂或热电站等，要充分注意锅炉的供汽能力和热负荷的调整，使其协调。有时候会因发电机有功功率增长过快，锅炉供汽能力一时跟不上，压力急速下降，造成被迫停机事故。&/p&&p&2、无功功率的调节——即发电机励磁的调节。同步发电机的励磁有三种状态，分别是：&/p&&p&（1）正常励磁：即发电机的全部输出功率均为有功功率。即cosφ=1，此时发电机的激磁电势为E。 &/p&&p&（2） 过励：增加发电机的励磁，使其超过“正常励磁”称为过励。&/p&&p&（3）欠励：减少发电机的励磁，使其小于“正常励磁”称为欠励。&/p&&p&同样的，无用功功率的调节过程中也需要注意几个问题：&/p&&p&（1）由于发电机与无穷大电网并联运行，电网电压视为恒定值，调整励磁不会引起电压的变化。&/p&&p&（2）&b&调节励磁可以调节无功功率，但只能调节无功功率，而不能改变有功功率。&/b&&/p&&p&（3）调节励磁时应注意，&b&不要使其超过励磁电源或发电机励磁绕组的允许值&/b&，以免出现励磁机与发电机励磁绕组过热现象。&/p&&p&（4）注意发电机电枢电流，保持不超过发电机视在功率，以防引起发电机电枢绕组过电流。&/p&&br&&p&—————————————————————————————————————————&/p&&p&作者：只是学电的
&br&&/p&&p&时间：&/p&
一.同步发电机励磁系统 一般来说，发电机组由发动机（提供动能）、发电机（产生电流）、控制系统组成。 风力发电机依靠风力带动发电机转动，产生电流； 水力发电机利用水流的落差，产生动力带动发电机发电。 燃油发电机依靠柴油或汽油燃烧产生动力带动发电…
&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-c5bb8cc049bb3fab12fe67a0dec594c3_b.jpg& data-rawwidth=&478& data-rawheight=&427& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&478& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-c5bb8cc049bb3fab12fe67a0dec594c3_r.jpg&&&/figure&&p&记得当年学电机学的时候，老师常说一句话，&b&电机电机，三分靠电七分靠机。&/b&也可以说三分是控制，七分是本体。俗话说，巧妇难为无米之炊，我们做电机控制的，首先得有电机实体才行不是吗。今天主要来说说高速电机的难在哪里?还可以和以前写的两篇相关文章一起来看。&/p&&p&&a href=&https://zhuanlan.zhihu.com/p/& class=&internal&&高速永磁电机设计难在哪？ - 只是学电的的文章 - 知乎专栏&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://zhuanlan.zhihu.com/p/& class=&internal&&高速电机二——基础篇 - 只是学电的的文章 - 知乎专栏&/a&&br&&/p&&p&还有知乎上相关问题：&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&高功率密度且高转速的发电机有何技术难度？ - 直流电机&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&如何设计一款高功率密度、高转矩密度（高推重比）的电机？ - 机器人&/a&&br&&/p&&p&&b&一.高速电机简介&/b&&/p&高速电机的主要特点是&b&转子速度高&/b&、定子绕组电流和铁心中的磁通频率高、&b&功率密度&/b&和损耗密度大 。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法，设计和制造难度往往成倍大于普通速电机。既然这么难，这玩意有没有用呢。&p&那么高速电机应用前景如何呢？它可以用在哪里呢？&br&&/p&&blockquote&&p&(1) 高速电机在&b&空调或冰箱&/b&的&b&离心式压缩机&/b&等各种场合得到应用，而随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。&/p&&p&(2) 随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在&b&混合动力汽车，航空，船舶&/b&等领域具有良好的应用前景。&/p&&p&(3)由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为&b&独立电源或小型电站&/b&，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。&/p&&/blockquote&&p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-03bc9ee22d20a6b729936_b.jpg& data-rawwidth=&433& data-rawheight=&359& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&433& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-03bc9ee22d20a6b729936_r.jpg&&&/figure&上图为工业机器人高光机，永磁无刷直流电机 350W, 60krpm&br&&/p&&p&&b&二.高速电机难在哪？&/b&&br&&/p&&br&&p&高速电机的顾名思义速度很高，转子速度通常&b&高于 &/b&&b&10000 r /min&/b&， 摩天轮大家都玩过，大家玩之前可能最怕的就是“被甩出去”。同样，电机在如此高的速度旋转时，常规叠片转子是难以承受巨大的&b&离心力&/b&的，需要采用特殊的&b&高强度叠片或实心转子&/b&结构（结构设计难点）。&/p&&p&对于永磁电机来说， 转子强度问题更为突出， 因为烧结而成的永磁材料不能承受转子高速旋转产生的&b&拉应力&/b&， 必须对永磁体采取保护措施; 同时电机转子与气隙高速摩擦， 在转子表面造成的摩擦损耗会远大于常速电机，这个时候就不得不考虑转子散热的难题。&/p&&p&为了保证转子有足够的强度， &b&高速电机转子设计的样子多为细长型&/b&。 因此与常速电机相比， 高速电机转子系统接近临界转速的可能性大大增加， 为了避免发生弯曲共振， 必须准确预测转子系统的临界转速; 普通电机轴承无法在高速下可靠运行，必须采用高速轴承系统。&br&&/p&&p&前面说到高速电机绕组电流和铁心中磁通交变频率很高，会在电机绕组、定子铁心以及转子中产生较大的&i&高频附加损耗&/i&。当定子电流频率较低时， 通常可以忽略&b&趋肤效应和邻近效应&/b&对绕组损耗的影响， 但在高频情况下定子绕组会产生明显的趋肤效应和邻近效应， 增大绕组附加损耗; 高速电机定子铁心中磁通频率高，趋肤效应的影响不能忽略， 常规的计算方法会带来较大误差， 为了准确计算高速电机的定子铁心损耗， 需要&b&探索（有点摸着石头过河的感觉）高频工况下的铁耗计算模型&/b&。 &/p&&p&定子开槽与绕组非正弦分布引起的空间谐波以及由PWM供电产生的电流时间谐波均会在转子中产生较大的涡流损耗， 由于转子体积小、散热条件差， 会给&b&转子散热&/b&带来极大困难， 因此转子涡流损耗的准确计算以及&b&探索&/b&有效降低转子涡流损耗的措施， 对高速电机可靠运行具有重要意义; 同时高频电压或电流也给&i&大功率高速电机的控制器&/i&设计带来了挑战。&/p&&p&高速电机的&b&体积远小于同等功率的常速电机&/b&， 不仅功率密度和损耗密度大而且散热困难， 如果不采用特殊散热措施， 会使电机温升过高， 从而缩短绕组寿命， 特别对于永磁电机， 在转子温升过高的情况下，&b& 永磁体易发生不可逆退磁&/b& 。设计一个良好的冷却系统， 能有效降低定转子温升， 是大功率高速电机长期稳定运行的关键。&/p&&p&综上所述， 高速电机在&b&转子强度&/b&、&b&转子系统动力&/b&&b&学&/b&、&b&电磁设计&/b&、&b&冷却系统设计&/b&与&b&温升计算&/b&、&b&高速轴承&/b&以及&b&控制器的研制&/b&等方面存在许多常规电机所不具有的特殊关键问题， 因此高速电机的设计是一个&b&集电磁&/b&&b&场&/b&&b&-&/b&&b&转子强度&/b&&b&-&/b&&b&转子动力学&/b&&b&-&/b&&b&流体场与温度场等&/b&多物理场多次迭代的综合设计过程。&/p&&p&&b&三.高速电机有哪几种？&/b&&/p&&p&目前应用于高速领域的电机类型主要有感应电机、永磁电机、开关磁阻电机等， 每种电机类型又有不同的拓扑结构。&br&&/p&&p&&b&1. 高速感应电机&/b&&br&&/p&&blockquote&我们知道，感应电机转子结构简单、转动惯量低， 并能在高温和高速的条件下长时间运行， 因此感应电机在高速领域应用比较广泛 。&/blockquote&&p&国内外最大功率的高速感应电机为&b&15MW&/b&， 转速为20000 r/min， 是&b&ABB公司&/b& 在2002年研制的， 采用的是&b&实心转子结构&/b&; 高速感应电机最大速度为180000 r/min， 功率为10kW， 采用磁悬浮轴承， 实心转子结构， 线速度为219m /s， 电机的效率约为85% 。&/p&&p&&b&国内&/b&对高速感应电机的研究&b&相对滞后（貌似电机这块，国内没有几个不滞后的）&/b&， 其中重庆德马电机研制了一系列高速感应电机， 海军工程大学 、沈阳工业大学 、哈尔滨工业大学以及&b&浙江大学（沈建新老师团队）&/b&等针对高速感应电机开展了许多研究工作，海军工程大学对 2. 5 MW 高速感应电机&b&开展了&/b&研究，重庆德马电机研制了100kW、25000r/min 高速感应电机， 国内高速感应电机的发展水平&b&远低于&/b&国外。&/p&&p&&b&2 .&/b&&b&内转子高速永磁电机&/b&&/p&&blockquote&我们也知道，永磁电机具有效率和功率因数高及转速范围大等优点， 因此其在高速应用领域倍受青睐。相对于外永磁转子电机， 内转子永磁电机具有转子半径小及可靠性强的优点， 成为高速电机的首选。&/blockquote&&p&内转子高速永磁电机的&b&最大功率已达8MW&/b&，转速15000r /min， 为&b&面贴式永磁转子&/b&， 采用碳纤维保护套捆扎; 最高转速的永磁电机为500000r/min，功率为1kW， 转子表面线速度为261m /s，采用合金保护套。国内对高速永磁电机的研究主要集中在&b&浙江&/b&&b&大学&/b&、沈阳工业大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天电机、东 南 大学、北京航空航天大学、江苏大学、北京交通大学、广东工业大学、&b&南车株洲电机有限公司&/b&等， 他们对高速电机的设计特点、损耗特性、转子强度与刚度计算以及冷却系统设计与温升计算等方面&b&开展了相关的研究工作&/b&， 并制作了不同功率等级和转速的高速样机。（&b&国内高校一般都是开展了先关研究，说白了就是搞了几个相关的项目，毕业了 几个研究生，发（&/b&水&b&）了几篇文章&/b&）&/p&沈阳工业大学与江苏航天动力机电有限公司合作， 已研制了 1120 kW、18000r/min 的高速永磁电机，如图所示， 该电机采用面贴式永磁转子结构， 转子表面线速度为180m /s， 采用碳纤维保护措施。&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-0be5c32abd9e6ae0d6e0916_b.jpg& data-rawwidth=&369& data-rawheight=&269& class=&content_image& width=&369&&&/figure&&p&浙江大学对2.3 kW、150000 r /min的高速永磁无刷直流电机开展了&b&深入&/b&研究&b&（深入一般是有几个博士在做），&/b&并制作了样机; 广东工业大学对0.6 kW，200 000 r /min 的高速永磁无刷直流电机&b&进行了理论分析&/b&。但国内对高速永磁电机的研制多集中在500kW 以下的中小功率和中低转速阶段， 对大功率尤其是兆瓦级和超高转速永磁电机的&b&研究还较少&/b&。高速永磁电机有面贴式( SPM) 和内置式( IPM) 两种转子结构。除少数采用内置式转子结构外，其余多采用面贴式永磁转子结构。&/p&&p&&br&&b&3 &/b&&b&高速开关磁阻电机&/b&&/p&&blockquote&开关磁阻电机以结构简单、坚固耐用、成本低廉以及耐高温等优点而备受瞩目， 在高速领域的应用日益广泛。&/blockquote&&p&高速开关磁阻电机目前可达的最大难度值为3. 51 × &img src=&https://www.zhihu.com/equation?tex=10%5E%7B5%7D+& alt=&10^{5} & eeimg=&1&&， 最大功率为250 kW( 转速 22 000 r /min) ，最高转速为 200 000 r /min( 功率 1 kW) 。南京航空航天大学 、北京交通大学、湖南工业大学 、&b&华中科技大学&/b&等对高速开关磁阻电机开展了相关研究工作， 其中南京航空航天大学研制了1 kW，130000 r /min的开关磁阻电机。&br&&/p&&p&最后对三种主要类型的高速电机优缺点总结一下，&/p&&br&&p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-9dc60c0f3fbc6c8d057b_b.jpg& data-rawwidth=&523& data-rawheight=&385& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&523& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-9dc60c0f3fbc6c8d057b_r.jpg&&&/figure&经过不断的的发展， 国外对高速电机的研究已具备了相当的基础， 产业化势头良好。国内对高速电机的研究&b&基础还较薄弱&/b&， &b&产业化水平较低&/b&， 国内对高速电机的研制多集中在中小功率和较低转速的范围内， &b&与国外尚有较大差距&/b&。&/p&&p&综合国内外的发展和研究现状， 针对兆瓦级以上的大功率高速电机和超高速高速电机的研究与应用还较少， 在高速电机的设 计与分析方面仍有一些问题亟需解决。&/p&&p&&b& 主要包括:&/b&&br&1) 高速电机的设计是一个&b&多物理场和多学科交叉&/b&的综合设计过程， 基于电磁场、应力场、转子动力学、流体场与温度场等多物理场耦合方法来分析高速电机的技术尚不成熟。&/p&&p&&br&2) &b&高速轴承&/b&仍有很多问题亟需解决: 滚球轴承不能承受过高的转速， 充油轴承系统庞大且在高速旋转时易发生漏油问题， 空气轴承承载负载能力有限， 磁悬浮轴承控制复杂、价格昂贵。&/p&&p&&br&3) 大功率高速电机功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱; 大功率高速电机的转子动力学设计技术有待完善; 高速电机的&b&加工工艺复杂&/b&， 距离产业化的要求还很远。&/p&&p&&br&4) 定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面&b&有待进一步研究&/b&; 大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式， 冷却结构复杂， 冷却效果有限。&/p&&p&&br&5) 永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展， 研发更高抗拉强度和更高耐温水平的&b&永磁材料&/b&对高速电机的发展具有重要意义。&/p&&p&&br&6) 对于面贴式永磁电机， 合金保护套存在较大的涡流损耗， 碳纤维保护套的导热系数较差， 给高速永磁电机的转子散热带来了较大困难， 因此开发高导热特性的纤维材料对于高速转子的设计有重要价值。&/p&&p&7) 常规叠片转子不能承受较大的离心力， 实心转子存在较大的涡流损耗， 需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。&/p&&br&综上所述， 高速电机以后的发展和研究方向主要在: &ol&&li&&b&大功率高速电机&/b&和&b&超高速高速电机&/b&的关键问题研究; &br&&/li&&li&基于多物理场和多学科的耦合设计; &br&&/li&&li&&b&定转子损耗&/b&的理论研究与实验验证; &br&&/li&&li&高强度与高耐温能力的&b&永磁材料&/b&、高导热系数的纤维材料等新材料的开发及应用;&br&&/li&&li&高强度转子叠片材料和结构的研究; &br&&/li&&li&不同功率和转速等级下&b&高速轴承&/b&的应用; &br&&/li&&li&&b&良好散热系统&/b&的设计; 高速电机控制系统的研制; &br&&/li&&li&满足产业化要求的&b&转子加工及装配新工艺&/b&等。&/li&&/ol&&p&看来真的是&b&任重而道远，坑深路又险&/b&啊。&/p&&p&——————————————————————————————————&/p&&br&&b&附：&/b&&p&浙江大学电机系完成&b&&i&/&/i&&/b&在研的&b&相关项目&/b&：&br&o 小功率高速永磁电机的结构与控制， ZJNSF (Y104442)&br&o 中等功率高速永磁电机的结构与控制， NSFC ()&br&o 发动机尾气能量回收用高速涡轮发电， 973 ()&br&o 高速永磁发电机及其稳压控制， NSFC ()&br&o 航空高速空调压缩机电机系统&br&o 多种规格高速空气压缩机电机系统&br&o 多种规格燃气轮发电系统的高速电动机、发电机及起发一体机&br&o 多种规格电主轴电机系统&br&&/p&&p&&b&参考资料：&/b&&/p&&p&[1].张凤阁,杜光辉, 王天煜,刘光伟. 高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016&/p&&p&[2].王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究［ J］沈阳工业大学学报， 2006， 28( 3) : 258-263．&/p&&p&[4].董剑宁，黄允凯，金龙， 等．高速永磁电机设计与分析技术综述［ J]中国电机工程学报， 2014， 34( 27) : ．&/p&&p&[5].沈建新，李鹏，郝鹤，等．高速永磁无刷电机电磁损耗的研究概况［ J］.中国电机工程学报， 2012， 33( 3) : 62-74．&br&&/p&&p&[6].江虹．高速感应电动机电磁设计方法的研究［ D］哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2006．&/p&
记得当年学电机学的时候，老师常说一句话，电机电机，三分靠电七分靠机。也可以说三分是控制，七分是本体。俗话说，巧妇难为无米之炊，我们做电机控制的，首先得有电机实体才行不是吗。今天主要来说说高速电机的难在哪里?还可以和以前写的两篇相关文章一起…
&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-fca196a3d1b1bf1e88a4d_b.jpg& data-rawwidth=&538& data-rawheight=&411& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&538& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-fca196a3d1b1bf1e88a4d_r.jpg&&&/figure&&p&今天来写写伺服电机。&/p&&p&首先还是要搞清楚一个&b&概念&/b&，何为伺服电机（马达）？&/p&&p&维基百科是这样说的。&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-b0bdd7c8f1ae_b.jpg& data-rawwidth=&956& data-rawheight=&112& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&956& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-b0bdd7c8f1ae_r.jpg&&&/figure&而在知乎问题&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&步进电机、伺服电机、舵机的原理和区别？&/a&的回答里，冷大对于伺服电机给出的描述主要突出了“系统”二字，&br&&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-be8ea27fb890_b.jpg& data-rawwidth=&660& data-rawheight=&145& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&660& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-be8ea27fb890_r.jpg&&&/figure&后面的詹姆斯艾伦对于这个描述进行了否定，他认为伺服电机确实是电机，不是一个系统。&/p&&blockquote&他可能把伺服电机和伺服系统给搞混淆了。在电机里面是有明确的直流伺服电动机和交流伺服电动机的。&/blockquote&&p&给出的解释是：&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-5d653c75d15325cd32dae_b.jpg& data-rawwidth=&675& data-rawheight=&125& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&675& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-5d653c75d15325cd32dae_r.jpg&&&/figure&另一位知乎答主指出，&/p&&blockquote&对于伺服电机的定义的确有多种，有某教材将伺服电机称为“控制电机”，伺服电机与非伺服电机的区别应当在于是否闭环控制，即servo一词的意义。&/blockquote&&p&伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统广泛应用的一种&b&执行元件&/b&。其作用是把接受的电信号转换为电动机转轴的&b&角位移或角速度&/b&。按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。伺服电机是一个&b&典型闭环反馈系统&/b&，如下图所示简单原理控制图：&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-e5e6fed85f397e6bf2bcaf7_b.jpg& data-rawwidth=&567& data-rawheight=&137& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&567& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-e5e6fed85f397e6bf2bcaf7_r.jpg&&&/figure&减速齿轮组由电机驱动，其终端(输出端)带动一个线性的&b&比例电位器&/b&作位置检测，该电位器把&b&转角坐标&/b&转换为&b&比例电压&/b&反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲（误差），并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。&/p&&p&&strong&而伺服&/strong&驱动系统(Servo System)简称伺服系统，是一种以&b&机械位置或角度&/b&作为控制对象的自动控制系统，例如数控车床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，此系统中所采用的这类专用的电机称为&b&伺服电机&/b&。&/p&&p&也就是说，伺服电机要工作，他是以伺服系统的形式出现来工作的，而伺服系统的核心，在于其中的电机，即伺服电机。不想直流电机和异步电机那样，既可以简单通电单干，也可以合伙组成系统一起干，伺服电机只在伺服系统中发挥作用。&/p&&p&然后我们说说伺服电机的选型问题，知乎上相关问题如下：&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&伺服电机如何选型？ - 电动机 - 知乎&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&伺服电机选型时，为什么要惯量匹配？ - 机器人 - 知乎&/a&&br&&/p&&p&如果还想继续了解选型相关问题，可以阅读《伺服电机选型的原则和注意事项》（王军锋，唐 宏）和《伺服电机选型技术指南》麦特斯（无锡）机电有限公司的文件。&/p&&p&上面提到了，伺服电机主要可以分为两大类，&b&直流伺服电机和交流伺服电机&/b&，下面分别说说。&/p&&blockquote&交流伺服电动机的&b&定子绕组&/b&和&b&单相异步电动机&/b&相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。&br&转子的结构形式有&b&笼型&/b&转子和&b&空心杯型&/b&转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的&b&细长&/b&，转子导体用高电阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。&br&空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2-0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。&/blockquote&&p&交流伺服电动机有以下&b&三种&/b&转速控制方式：&br&（1）幅值控制
控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变&b&控制电压的大小&/b&。&br&（2）相位控制
控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变&b&控制电压的相位&/b&。&br&（3）幅值—相位控制 ，&b&同时改变控制电压幅值和相位&/b&。交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。&/p&&p&相信学过电力电子技术的同学，上面这几个控制方式应该很熟悉。&/p&&p&而就使用场合来说，&/p&&blockquote&交流伺服电动机适用于0.1—100W小功率自动控制系统中，频率有50Hz、400Hz等多种。笼型转子交流伺服电动机产品为SL系列。空心杯形转子交流伺服电动机为SK系列，用于要求运行平滑的系统中。&/blockquote&而直流伺服电动机的基本结构与普通&b&他励直流电动机&/b&一样，所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极，并且&b&转子做得细长&/b&，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。&blockquote&按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种，电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生，一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。为了适应各种不同系统的需要，从结构上作了许多改进，又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。&/blockquote&&p&直流伺服电动机适用于&b&功率稍大&/b&（1—600W）的自动控制系统中。与交流伺服电动机相比，它的调速线性好，体积小，质量轻，&b&启动转矩大，输出功率大&/b&。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干扰。&/p&&p&&b&单就伺服电机的相关控制来说，还是很简单的&/b&。（和异步电机永磁同步电机矢量控制，直接转矩控制来比较的话），常用（烂大街）的单片机就可以实现基本的控制。请戳&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.docin.com/p-.html& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&基于单片机的伺服电机控制 本科 毕业设计&/a&&/p&&p&而大家还有一个比较关心的问题是，经常有人拿伺服电机和步进电机来比较，二者在很多方面确实很是相似。简单来说，步进电机是开环控制，伺服电机是闭环控制。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但是价格比就不一样了。请看下面的答案。&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&伺服电机和步进电机有什么区别？ - 机器人 - 知乎&/a&&br&&/p&&br&&p&或者有人说，我想用&b&伺服电机替换产品中的步进电机&/b&，应注意哪些问题？我觉得以下几个方面还是需要考虑的。&/p&&ol&&li&为了保证控制系统整体上&b&改变不大&/b&，应选用&b&数字式伺服系统&/b&，这样的话就仍然可采用原来的脉冲控制方式；&br&&/li&&li&由于伺服电机都有一定过载能力，所以在选择伺服电机型号时，经验上可以按照所使用的步进电机&b&输出扭矩的1/3&/b&来参考确定伺服电机的额定扭矩；&br&&/li&&li&伺服电机的额定转速比步进电机的转速要高的多，为了充分发挥伺服电机的性能，最好增&b&加&/b&&b&减速装置&/b&，让伺服电机工作在接近额定转速下，这样也可以选择功率更小的电机，以降低成本。&/li&&/ol&&br&&p&此外还有一些小细节问题：&/p&&p&1.伺服电机为什么不会丢步？&br&&br&伺服电机驱动器接收电机&b&编码器&/b&的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的&b&闭环&/b&控制。所以每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。&br&&br&2.对伺服电机进行机械安装时，应特别注意什么？&br&&br&由于每台伺服电机后端部都安装有旋转编码器，它是一个十分易碎的精密光学器件，过大的冲击力肯定会使其损坏。&br&&/p&&p&3.如何根据客户的要求为客户选配伺服电机和减速机，所选的方案应为最佳。&br&&/p&&p&答：&b&根据&/b&&b&功率选取减速机&/b&，选出合适的减速机尺寸，在根据减速机选择合适的伺服电机，一定要注意速度的选取。&br&&/p&&p&关于伺服电机就写这么多，后面有相关内容增加的话，还会继续补充。&/p&
今天来写写伺服电机。首先还是要搞清楚一个概念，何为伺服电机（马达）？维基百科是这样说的。而在知乎问题的回答里，冷大对于伺服电机给出的描述主要突出了“系统”二字， 后面的詹姆斯艾伦对于这个描述进行了否定…
&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-faefcff4a788_b.jpg& data-rawwidth=&800& data-rawheight=&534& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&800& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-faefcff4a788_r.jpg&&&/figure&最近因为工作需要，在X宝上买了一套&b&步进电机驱动&/b&的直线导轨滑台，如下图所示：&p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-93da5ec1bc316ad5afc95_b.jpg& data-rawwidth=&389& data-rawheight=&188& class=&content_image& width=&389&&&/figure&其中&strong&电机为57两相混合式步进电机，电机参数如下所示：&/strong&&/p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-5effc81fe65f80611f3a_b.jpg& data-rawwidth=&712& data-rawheight=&138& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&712& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-5effc81fe65f80611f3a_r.jpg&&&/figure&&p&为了搞清楚他的工作原理和控制方法，进行了一些知识储备工作。&br&&/p&&p&&b&1.那么什么是步进电机？&/b&&br&&/p&&blockquote&步进电机是一种将&b&电脉冲&/b&转化为&b&角位移&/b&的执行机构。通俗一点讲：当&b&步进驱动器&/b&接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及&b&步进角&/b&）。&/blockquote&&p&可以通过&b&控制脉冲个数&/b&来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；&/p&&p&同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=https%3A//learn.adafruit.com/all-about-stepper-motors/what-is-a-stepper-motor& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&All About Stepper Motors&/a&&br&&/p&&p&其中我买到的步进电机的驱动器如下所示：&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-c0e4dbb317d042ca1fb4_b.jpg& data-rawwidth=&407& data-rawheight=&466& class=&content_image& width=&407&&&/figure&&/p&&p&说到驱动器，顺便回答一下知乎上这个问题，&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&步进电机驱动上面这个东西是做什么用的？（如图） - 自动化 - 知乎&/a&&/p&&p&题主问的那排拨码开关是设置步进电机细分电流参数和细分参数的。具体如何设置，在驱动器的正上面有对应表格，如图：&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-c31b0ad730609accef3b_b.jpg& data-rawwidth=&168& data-rawheight=&336& class=&content_image& width=&168&&&/figure&&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&步进电机如何细分? - 电子 - 知乎&/a&
我们采用带有细分功能的驱动器。&br&&/p&&br&&p&比如说你想细分设置为8，细分电流参数设置为3.0，那么你就拨动拨码开关&/p&&p& S1 S2 S3 S4 S5 S6
对应为 OFF ON OFF OFF ON OFF。&/p&&p&那么&b&细分驱动器的细分数&/b&是不是能代表电机精度呢?&/p&&br&&blockquote&要回答这个，需要先了解一下步进电机的细分技术。它实质上是一种&b&电子阻尼技术&/b&（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。&/blockquote&&p&比如对于步进角为 1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为 4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近 0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；但细分数越大精度越难控制。
&/p&&p&&b&2.步进电机有哪几种？我的电机又哪一种？&/b&&/p&&blockquote&步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB），&br&&b&永磁式&/b&步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；&br&&b&反应式&/b&步进一般为&b&三&/b&相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；&br&&b&混合式&/b&步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为&b&两相和五相&/b&：两相步进角一般为 &b&1.8 &/b&&b&度&/b&而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。
&/blockquote&显然对照我前面的步进电机参数表，步距角是1.8°，那么应该是两相混合式步进电机。&p&&b&3.我该如何控制步进电机工作？&/b&&/p&&p&步进电机是典型的&b&数字控制&/b&电机，只要我们利用控制器（单片机，PLC，DSP）给他发送脉冲，就可以控制其运行。&b&脉冲发的越快，他就转的越快，脉冲发的越多，他就走的越多。见下图：&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-dbe73b56c92d248f0d9b7b922e376928_b.jpg& data-rawwidth=&338& data-rawheight=&155& class=&content_image& width=&338&&&/figure&&/b&&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-c46ce560fd7db27d916a6a6c5c9e9133_b.jpg& data-rawwidth=&336& data-rawheight=&155& class=&content_image& width=&336&&&/figure&&p&步进电机工作原理易学易用，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制。如下图：&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-722a1aade8c7ea17fda16b_b.jpg& data-rawwidth=&637& data-rawheight=&222& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&637& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-722a1aade8c7ea17fda16b_r.jpg&&&/figure&&/p&&p&怎么用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向？ 只需将电机与驱动器接线的 A+和 A-（或者 B+和 B-）对调即可 。&br&&/p&&p&步进电机驱动器根据&b&外来的脉冲&/b&，通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定的次序正&br&反通电，从而实现其运转。以两相 1.8 度步进电机为例 &br&&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-9cc4d2cd6a1a5b5fd47daedd_b.jpg& data-rawwidth=&284& data-rawheight=&295& class=&content_image& width=&284&&&/figure&当其绕组的通电方向顺序按照 AC-&BD-&CA-&DB 四个状态周而复始进行变化，每变化&br&一次，电机运转一步,即 1.8 度。 &/p&&br&&p&怎么样用一些控制器控制步进电机？&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&怎么用plc控制步进电机？ - PLC - 知乎&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://www.zhihu.com/question/& class=&internal&&想使用电脑控制一个步进电机，如何实现？ - 电机工程师 - 知乎&/a&&br&&/p&&p&关于这个问题，太多太多的毕业设计做的都是这方面的课题，不信你看，&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//wenku.baidu.com/view/e12.html& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统_百度文库&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//wenku.baidu.com/view/bb.html& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&PLC控制步进电机系统_图文_百度文库&/a&&br&&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.doc88.com/p-.html& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&基于步进电机的DSP控制毕业论文&/a&&br&&/p&&p&步进电机的控制应该是和直流电机一样简单，当你买了电机，买了电机驱动器，那你不管是用单片机，还是PLC还是DSP，只要&b&产生脉冲方波&/b&给步进电机的驱动器端口，基本就可以实现控制了。&/p&&p&如果你说更进一步，发现步进电机在低速运转时有很大的振动和噪声，其实步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：&/p&&ol&&li&如步进电机正好工作在共振区，可通过&b&改变减速比&/b&等机械传动避开共振区；&br&&/li&&li&采用&b&带有细分功能的驱动器&/b&，这是&b&最常用的、最简便&/b&的方法；&br&&/li&&li&换成&b&步距角更小&/b&的步进电机，如三相或五相步进电机；&br&&/li&&li&换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但&b&成本较高&/b&；&br&&/li&&li&在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。 &/li&&/ol&&p&说到这里，步进电机基本也就差不多了，如果你赶时间或者懒得自己倒腾去产生脉冲，那你就干脆买个配套的控制器，然后按照人家的给你的使用说明去操作。&/p&&blockquote&目前步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、、和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。&/blockquote&&p&最后，今天也是2016年的最后一天，在这里祝大家新年快乐。为啥今天要写步进电机，也是取步进之意，一年365天，如果每天进步一点，每步都走踏实，才能不断前进！&/p&&p&2016年专栏主要对电机控制这块说的比较多，2017年可能会开始设计一些比较新颖热门的东西，比如机器视觉等等。感谢望大家的支持和厚爱。&/p&&br&&p&参考资料：&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=https%3A//en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&Stepper motor - Wikipedia&/a&&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.orientalmotor.com/products/stepper-motors/& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&Stepper Motor Drivers&/a&&br&&/p&&p&步进电机技术十四问.pdf &/p&
最近因为工作需要，在X宝上买了一套步进电机驱动的直线导轨滑台，如下图所示：其中电机为57两相混合式步进电机，电机参数如下所示：为了搞清楚他的工作原理和控制方法，进行了一些知识储备工作。 1.那么什么是步进电机？ 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移…
&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-ffae953c65cf50ab3ceed7f2_b.jpg& data-rawwidth=&480& data-rawheight=&290& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&480& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-ffae953c65cf50ab3ceed7f2_r.jpg&&&/figure&&p&&strong&编者按：本文内容来自大道智创CTO邢志伟在雷锋网硬创公开课的分享，由雷锋网(公众号：雷锋网)旗下栏目“新智造”整理。&/strong&&/p&&p&避障是指移动&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.leiphone.com/category/robot& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&机器人&/a&在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照 一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点。&/p&&h2&&strong&避障常用哪些传感器&/strong&&/h2&&p&不管是要进行导航规划还是避障，感知周边环境信息是第一步。就避障来说，移动机器人需要通过传感器 实时获取自身周围障碍物信息，包括尺寸、形状和位置等信息。避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理和特点，目前常见的主要有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。下面我简单介绍一下这几种传感器的基本工作原理。&/p&&p&&strong&超声波&/strong&&/p&&p&超声波传感器的基本原理是测量超声波的飞行时间，通过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是声速，t是 飞行时间。由于超声波在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和其它因素考虑进去。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-cf56e5b594d3ef7d44df29ff_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&375& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-cf56e5b594d3ef7d44df29ff_r.jpg&&&/figure&&br&&p&上面这个图就是超声波传感器信号的一个示意。通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，检测到后使用测量到的飞行时间计算距离。超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离都在几米，但是会有一个几十毫米左右的最小探测盲区。由于超声传感器的成本低、实现方法简单、技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。超声波传感器也有一些缺点，首先看下面这个图。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-38bcf6ffd535a60bfb4eed56ff0661af_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&485& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-38bcf6ffd535a60bfb4eed56ff0661af_r.jpg&&&/figure&&br&&p&因为声音是锥形传播的，所以我们实际测到的距离并不是 一个点，而是某个锥形角度范围内最近物体的距离。&/p&&p&另外，超声波的测量周期较长，比如3米左右的物体，声波传输这么远的距离需要约20ms的时间。再者，不同材料对声波的反射或者吸引是不相同的，还有多个超声传感器之间有可能会互相干扰，这都是实际应用的过程中需要考虑的。&/p&&p&&strong&红外&/strong&&/p&&p&一般的红外测距都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出物体距离D。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-3f90d17dea14_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&926& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-3f90d17dea14_r.jpg&&&/figure&&br&&p&当D的距离足够近的时候，上图中L值会相当大，如果超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小，测量?精度会变差。因此，常见的红外传感器 测量距离都比较近，小于超声波，同时远距离测量也有最小距离的限制。另外，对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。但相对于超声来说，红外传感器具有更高的带宽。&/p&&p&&strong&激光&/strong&&/p&&p&常见的激光雷达是基于飞行时间的（ToF，time of flight），通过测量激光的飞行时间来进行测距d=ct/2，类似于前面提到的超声测距公式，其中d是距离，c是光速，t是从发射到接收的时间间隔。激光雷达包括发射器和接收器 ，发射器用激光照射目标，接收器接收反向回的光波。机械式的激光雷达包括一个带有镜子的机械机构，镜子的旋转使得光束可以覆盖 一个平面，这样我们就可以测量到一个平面上的距离信息。&/p&&p&对飞行时间的测量也有不同的方法，比如使用脉冲激光，然后类似前面讲的超声方案，直接测量占用的时间，但因为光速远高于声速，需要非常高精度的时间测量元件，所以非常昂贵；另一种发射调频后的连续激光波，通过测量接收到的反射波之间的差频来测量时间。&/p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-0e31e02fa341c1ed01e5_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&232& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-0e31e02fa341c1ed01e5_r.jpg&&&/figure&&p&图一&/p&&figure&&img src=&https://pic2.zhimg.com/v2-c9e4b4ae1cbc82b2e91df3_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&218& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic2.zhimg.com/v2-c9e4b4ae1cbc82b2e91df3_r.jpg&&&/figure&&p&图二&/p&&p&比较简单的方案是测量反射光的相移，传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光，并测量发射和反向信号之间的相移，如上图一。调制信号的波长为lamda=c/f，其中c是光速，f是调制频率，测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后，距离可由lamda*theta/4pi计算得到，如上图二。&/p&&p&激光雷达的测量距离可以达到几十米甚至上百米，角度分辨率高，通常可以达到零点几度，测距的精度也高。但测量距离的置信度会反比于接收信号幅度的平方，因此，黑体或者远距离的物体距离测量不会像光亮的、近距离的物体那么好的估计。并且，对于透明材料，比如玻璃，激光雷达就无能为力了。还有，由于结构的复杂、器件成本高，激光雷达的成本也很高。&/p&&p& 一些低端的激光雷达会采用三角测距的方案进行测距。但这时它们的量程会受到限制，一般几米以内，并且精度相对低一些，但用于室内低速环境的SLAM或者在室外环境只用于避障的话，效果还是不错的。&/p&&p&&strong&视觉&/strong&&/p&&p&常用的计算机视觉方案也有很多种， 比如双目视觉，基于TOF的深度相机，基于结构光的深度相机等。深度相机可以同时获得RGB图和深度图，不管是基于TOF还是结构光，在室外强光环境下效果都并不太理想，因为它们都是需要主动发光的。像基于结构光的深度相机，发射出的光会生成相对随机但又固定的斑点图样，这些光斑打在物体上后，因为与摄像头距离不同，被摄像头捕捉到的位置也不相同，之后先计算拍到的图的斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄像头位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。而我们目前的E巡机器人主要是工作在室外环境，主动光源会受到太阳光等条件的很大影响，所以双目视觉这种被动视觉方案更适合，因此我们采用的视觉方案是基于双目视觉的。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-ab569be51b48dcc76483adbf348d26f1_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&518& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-ab569be51b48dcc76483adbf348d26f1_r.jpg&&&/figure&&br&&p&双目视觉的测距本质上也是三角测距法，由于两个摄像头的位置不同，就像我们人的两只眼睛一样，看到的物体不一样。两个摄像头看到的同一个点P，在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三角测距就可以测出这个点的距离。与结构光方法不同的是，结构光计算的点是主动发出的、已知确定的，而双目算法计算的点一般是利用算法抓取到的图像特征，如SIFT或SURF特征等，这样通过特征计算出来的是稀疏图。&/p&&p&要做良好的避障，稀疏图还是不太够的，我们需要获得的是稠密的点云图，整个场景的深度信息。稠密匹配的算法大致可以分为两类，局部算法和全局算法。局部算法使用像素局部的信息来计算其深度，而全局算法采用图像中的所有信息进行计算。一般来说，局部算法的速度更快，但全局算法的精度更高。&/p&&p&这两类各有很多种不同方式的具体算法实现。能过它们的输出我们可以估算出整个场景中的深度信息，这个深度信息可以帮助我们寻找地图场景中的可行走区域以及障碍物。整个的输出类似于激光雷达输出的3D点云图，但是相比来讲得到信息会更丰富，视觉同激光相比优点是价格低很多，缺点也比较明显，测量精度要差 一些，对计算能力的要求也高很多。当然，这个精度差是相对的，在实用的过程中是完全足够的，并且我们目前的算法在我们的平台NVIDIA TK1和TX1上是可以做到实时运行。 &/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-5e3e5920916faac677ddd_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&224& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-5e3e5920916faac677ddd_r.jpg&&&/figure&&p&KITTI采集的图&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-3686dee6d3ef4fb2868e_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&224& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-3686dee6d3ef4fb2868e_r.jpg&&&/figure&实际输出的深度图，不同的颜色代表不同的距离&/p&&p&在实际应用的过程中，我们从摄像头读取到的是连续的视频帧流，我们还可以通过这些帧来估计场景中 目标物体的运动，给它们建立运动模型，估计和预测它们的运动方向、运动速度，这对我们实际行走、避障规划是很有用的。&/p&&p&以上几种是最常见的几种传感器 ，各有其优点和缺点，在真正实际应用的过程中，一般是综合配置使用多种不同的传感器 ，以最大化保证在各种不同的应用和环境条件下，机器人都能正确感知到障碍物信息。我们公司的E巡机器人的避障方案就是以双目视觉为主，再辅助以多种其他传感器，保证机器人周边360度空间立体范围内的障碍物都能被有效侦测到，保证机器人行走的安全性。&/p&&p&避障常用算法原理&/p&&p&在讲避障算法之前，我们假定机器人已经有了一个导航规划算法对自己的运动进行规划，并按照规划的路径行走。避障算法的任务就是在机器人执行正常行走任务的时候，由于传感器的输入感知到了障碍物的存在，实时地更新目标轨迹，绕过障碍物。
&/p&&p&&strong&Bug算法&/strong&&/p&&p&Bug算法应该是最简单的一种避障算法了，它的基本思想是在发现障碍后，围着检测到的障碍物轮廓行走，从而绕开它。Bug算法目前有很多变种， 比如Bug1算法，机器人首先完全地围绕物体，然后从距目标最短距离的点离开。Bug1算法的效率很低，但可以保证机器人达到目标。&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-cba26d7db4bb8a853498accda846e585_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&467& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-cba26d7db4bb8a853498accda846e585_r.jpg&&&/figure&Bug1算法示例&/p&&p&改进后的Bug2算法中，机器人开始时会跟踪物体的轮廓，但不会完全围绕物体一圈，当机器人可以直接移动至目标时，就可以直接从障碍分离，这样可以达到比较短的机器人行走总路径。&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-3ffba7cad816b1f5f22c_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&432& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-3ffba7cad816b1f5f22c_r.jpg&&&/figure&Bug2算法示例&/p&&p&除此之外，Bug算法还有很多其他的变种， 比如正切Bug算法等等。在许多简单的场景中，Bug算法是实现起来比较容易和方便的，但是它们并没有考虑到机器人的动力学等限制，因此在更复杂的实际环境中就不是那么可靠好用了。&/p&&p&&strong&势场法（PFM）&/strong&&/p&&p&实际上，势场法不仅仅可以用来避障，还可以用来进行路径的规划。势场法把机器人处理在势场下的 一个点，随着势场而移动，目标表现为低谷值，即对机器人的吸引力，而障碍物扮演的势场中的一个高峰，即斥力，所有这些力迭加于机器人身上，平滑地引导机器人走向目标，同时避免碰撞已知的障碍物。当机器人移动过程中检测新的障碍物，则需要更新势场并重新规划。&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-d21d3ce6be5f8ddfeef8_b.jpg& data-rawwidth=&454& data-rawheight=&964& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&454& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-d21d3ce6be5f8ddfeef8_r.jpg&&&/figure&上面这个图是势场比较典型的示例图，最上的图a左上角是出发点，右下角是目标点，中间三个方块是障碍物。中间的图b就是等势位图，图中的每条连续的线就代表了一个等势位的一条线，然后虚线表示的在整个势场里面所规划出来的一条路径，我们的机器人是沿着势场所指向的那个方向一直行走，可以看见它会绕过这个比较高的障碍物。最下面的图，即我们整个目标的吸引力还有我们所有障碍物产生的斥力最终形成的一个势场效果图，可以看到机器人从左上角的出发点出发，一路沿着势场下降的方向达到最终的目标点，而每个障碍物势场表现出在很高的平台，所以，它规划出来的路径是不会从这个障碍物上面走的。&/p&&p&一种扩展的方法在基本的势场上附加了?另外两个势场：转运势场和任务势场。它们额外考虑了由于机器人本身运动方向、运动速度等状态和障碍物之间的相互影响。&/p&&p&转动势场考虑了障碍与机器人的相对方位，当机器人朝着障碍物行走时，增加斥力， 而当平行于物体行走时，因为很明显并不会撞到障碍物，则减小斥力。任务势场则排除了那些根据当前机器人速度不会对近期势能造成影响的障碍，因此允许规划出 一条更为平滑的轨迹。&/p&&p&另外还有谐波势场法等其他改进方法。势场法在理论上有诸多局限性， 比如局部最小点问题，或者震荡性的问题，但实际应用过程中效果还是不错的，实现起来也比较容易。&/p&&p&&strong&向量场直方图（VFH）&/strong&&/p&&p&它执行过程中针对移动机器人当前周边环境创建了一个基于极坐标表示的局部地图，这个局部使用栅格图的表示方法，会被最近的一些传感器数据所更新。VFH算法产生的极坐标直方图如图所示：&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-a8fccf2755d0efcab6dd14_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&310& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-a8fccf2755d0efcab6dd14_r.jpg&&&/figure&图中x轴是以机器人为中心感知到的障碍物的角度，y轴表示在该方向存在障碍物的概率大小p。实际应用的过程中会根据这个直方图首先辨识出允许机器人通过的足够大的所有空隙，然后对所有这些空隙计算其代价函数，最终选择具有最低代价函数的通路通过。&/p&&p&代价函数受三个因素影响： 目标方向、机器人当前方向、之前选择的方向，最终生成的代价是这三个因素的加权值，通过调节不同的权重可以调整机器人的选择偏好。VFH算法也有其他的扩展和改进，比如在VFH+算法中，就考虑了机器人运动学的限制。由于实际底层运动结构的不同，机器的实际运动能力是受限的，比如汽车结构，就不能随心所欲地原地转向等。VFH+算法会考虑障碍物对机器人实际运动能力下轨迹的阻挡效应，屏蔽掉那些虽然没有被障碍物占据但由于其阻挡实际无法达到的运动轨迹。我们的E巡机器人采用的是两轮差动驱动的运动形式，运动非常灵活，实际应用较少受到这些因素的影响。&/p&&p&具体可以看 一下这个图示：&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-fcac1f6dc86_b.jpg& data-rawwidth=&740& data-rawheight=&652& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&740& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-fcac1f6dc86_r.jpg&&&/figure&类似这样传统的避障方法还有很多，除此之外，还有许多其他的&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.leiphone.com/& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&智能&/a&避障技术，比如&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.leiphone.com/news/T1XQy2g3spCUdd.html& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&神经网络&/a&、模糊逻辑等。&/p&&p&神经网络方法对机器人从初始位置到目标位置的整个行走路径进行训练建模，应用的时候，神经网络的输 入为之前机器人的位姿和速度以及传感器的输 入，输出期望的下一目标或运动方向。&/p&&p&模糊逻辑方法核心是模糊控制器，需要将专家的知识或操作人员的经验写成多条模糊逻辑语句，以此控制机器人的避障过程。 比如这样的模糊逻辑：第一条，若右前方较远处检测到障碍物，则稍向左转；第 二条，若右前方较近处检测到障碍物，则减速并向左转更多角度；等等。&/p&&h2&避障过程中存在哪些问题&/h2&&p&&strong&传感器失效&/strong&&/p&&p&从原理上来讲，没有哪个传感器是完美的，比方说机器人面前是一块完全透明的玻璃，那么采用红外、激光雷达或视觉的方案，就可能因为这个光线直接穿过玻璃导致检测失败，这时候就需要超声波这样的传感器来进行障碍物的侦测。所以我们在真正应用的过程中，肯定都需要采取多种传感器的结合，对不同传感器采集到的数据进行一个交叉验证，以及信息的融合，保证机器人能够稳定可靠的工作。&/p&&p&除此之外也有其他模式可能导致传感器失效，比如超声波测距，一般需要超声阵列，而阵列之间的传感器如果同时工作的话，会容易互相产生干扰，传感器A发射的光波反射回来被传感器B接收，导致测量结果出现错误，但是如果按照顺序一个个工作，由于超声波传感器采样的周期相对比较长，会减慢整个采集的速度，对实时避障造成影响，这就要求从硬件的结构到算法都必须设计好，尽可能提高采样速度，减少传感器之间的串扰。&/p&&p&还有比如说，机器人如果需要运动的话，一般都需要电机和驱动器，它们在工作过程中都会产生电容兼容性的问题，有可能会导致传感器采集出现错误，尤其是模拟的传感器，所以在实现过程中要把电机驱动器等设备、传感器的采集部分，以及电源通信部分保持隔离，保证整个系统是能够正常工作的。&/p&&p&&strong&算法设计&/strong&&/p&&p&在刚刚提到的几个算法，很多在设计的时候都并没有完善考虑到整个移动机器人本身运动学模型和动力学模型，这样的算法规划出来的轨迹有可能在运动学上是实现不了的，有可能在运动学上可以实现，但是控制起来非常困难，比如刚刚提到的如果一台机器人的底盘是汽车的结构，就不能随心所欲地原地转向，或者哪怕这个机器人是可以原地转向，但是如果一下子做一个很大的机动的话，我们的整个电机是执行不出来的。所以在设计的时候，就要优化好机器人本身的结构和控制，设计避障方案的时候，也要考虑到可行性的问题。&/p&&p&然后在整个算法的架构设计的时候，我们要考虑到为了避让或者是避免伤人或者伤了机器人本身，在执行工作的时候，避障是优先级比较高的任务，甚至是最高的任务，并且自身运行的优先级最高，对机器人的控制优先级也要最高，同时这个算法实现起来速度要足够快，这样才能满足我们实时性的要求。&/p&&p&总之，在我看来，避障在某种程度上可以看做机器人在自主导航规划的一种特殊情况，相比整体全局的导航，它对实时性和可靠性的要求更高一些，然后，局部性和动态性是它的一个特点，这是我们在设计整个机器人硬件软件架构时一定要注意的。
&/p&&h2&读者提问环节&/h2&&p&&strong&多机协同的避障策略有哪些？&/strong&&/p&&p&多机协同避障策略在整个SLAM方向上都还是一个在钻研的热点领域，单纯就避障来说，目前的方案是，当有两个或多个机器人协同工作的时候，每个机器人会在一个局部各自维护一个相对的动态地图，所有机器人共享一个相对静态的地图，而对于单个机器人来说，它们会各自维护一个更加动态的地图，这样当两个机器人接近一个位置时，它们会将它们维护的动态地图合并起来。&/p&&p&这样子有什么好处呢，比如视觉只能看到前方一个方向，这时候跟后面机器人的动态地图合并之后，就能看到前后整个局部的动态信息，然后完成避障。&/p&&p&多机协同的关键在于，两个局部地图之间的分享，就是它们分别在整个相对静态的全局地图上是有一小块一个窗口的位置，到这两个窗口可能融合的话，会把它们融合在一起，同时去指导两个机器人的避障。在具体实现过程中，也要考虑整个信息传输的问题，如果是自己本身的局部地图，由于都是本机的运算，速度一般都比较快，如果是两个机器人协作的话，就要考虑到传输的延时，以及带宽的问题。&/p&&p&&strong&避障有无标准的测试标准和指标？&/strong&&/p&&p&目前就我所了解业界并没有什么统一的测试标准和指标，我们目前测试的时候会考虑这些指标，比如在单个障碍物或是多个障碍物，障碍物是静态的或动态的情况下避障效果如何，以及实际规划出的路径完美度如何，还有这个轨迹是否平滑，符合我们观感的效果。&/p&&p&当然，这个最重要的指标我觉得应该避障是否失败就是成功率的问题，要保证这个避障不管是碰到静态的或者是动态的物体，然后那个物体不管是什么材质，比如说如果是动态的人，我们穿什么样的衣服会不会对整个避障功能造成影响，另外就是不同的环境又会有什么样的影响，比如光线充足或暗淡。对于避障来说，成功率才是最为关键的。&/p&&p&雷锋网原创文章，未经授权禁止转载。详情见&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//dwz.cn/4ErMxZ& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&转载须知&/a&。&/p&
编者按：本文内容来自大道智创CTO邢志伟在雷锋网硬创公开课的分享，由雷锋网(公众号：雷锋网)旗下栏目“新智造”整理。避障是指移动在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照 一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，…
&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-f802dce1e40bb_b.jpg& data-rawwidth=&1245& data-rawheight=&1063& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1245& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-f802dce1e40bb_r.jpg&&&/figure&&p&今天早上突然想到这个问题，感觉做电机控制这么久了，当我们说到电机控制的时到底指的是什么呢？今天在这里和大家探讨一下。&br&&/p&&p&以异步电机来说，比如给你一个三相异步电机，我们能如何控制它呢？要想控制它按照你的要求工作，我们需要学习和掌握哪些知识呢？&/p&&figure&&img src=&https://pic3.zhimg.com/v2-d9a54f4a42c_b.jpg& data-rawwidth=&800& data-rawheight=&600& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&800& data-original=&https://pic3.zhimg.com/v2-d9a54f4a42c_r.jpg&&&/figure&&p&&b&第一步:“动起来”——启动&/b&&/p&&p&相信大家的第一感觉都一样，甭管后续怎么控制，先让它转起来再说。那要想让他转起来，该怎么做呢？&/p&&p&想到咱们电气工程专业有本“天书”叫做《&b&电机学&/b&》。（&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//vdisk.weibo.com/s/djwq4HeGfFzEJ& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&vdisk.weibo.com/s/djwq4&/span&&span class=&invisible&&HeGfFzEJ&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&/a&），那里头讲过三相异步电机的知识。首要任务是接线问题，你要确定是用星形接法还是三角形接法。&/p&&figure&&img src=&https://pic1.zhimg.com/v2-0a0b9f13_b.jpg& data-rawwidth=&500& data-rawheight=&323& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&500& data-original=&https://pic1.zhimg.com/v2-0a0b9f13_r.jpg&&&/figure&&p&上图中的U1，V1，W1表示三相电源接线端。&/p&&p&至于说两种解法选哪个，请考：&/p&&p&&a href=&https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.ad.siemens.com.cn/service/answer/solution.aspx%3FQ_ID%3D74681%26cid%3D1157& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://www.&/span&&span class=&visible&&ad.siemens.com.cn/servi&/span&&span class=&invisible&&ce/answer/solution.aspx?Q_ID=74681&cid=1157&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&/a&&/p&&p&假设我们这里选用了&b&星型&/b&接法，然后你就需要把&b&三相电源线依次&/b&接到你的电机接线盒的三个接线端子上。为了安全和容易操作（防触电），我们在三相电源线和电机之间接上一个&b&空气开关，&/b&这里的开关具体型号需要根据你的电机参数（电压，功率）来定。接好线后，当你把空气开关由OFF打到ON的时候，电机此时就转了起来。&/p&&br&&p&&b&第二步:“正反转”——换向&/b&&br&&/p&&p&OK，电机虽然转了起来，但此时电机的正转或反转都是随机的，当你把三相电源线接好以后，电机的转向也就确定了。但是就电动机转向这个参数来说，我们此时并没有没有控制到。那我们就要想办法让它按照你的要求方向转！&/p&&p&还是回到《电机学》课本，我们知道：&/p&&blockquote&三相交流异步电动机改变转向就是&b&改变电机绕组的相序&/b&。具体的方法是：&br&1.把电源或者&b&总空开处&/b&的三根电源线A、B、C中的&b&任意两根对调&/b&。例如：A与B对调；或者A与C对调或者B与C对调。&br&2.还可以在主回路的热继电器出线端（或者启动柜端子排上），把进电机的三根线中的两根对调。&br&3.还可以在&b&电机接线盒中&/b&把三根线中的两根对调。&br&以上介绍的方法，你可以选择一种最方便的来改动。&/blockquote&好的，按照第三条的方法，我们验证一下，将电机接线盒的三个接线端任意两个换一下试试效果，方法有效，可以改变方向。但是，这样的操作方式是一个手工操作的&b&笨&/b&办法，工业实际生产过程中不可能让你停下来去改接线，那就要实现&b&自动&/b&控制。&p&好了，有了这个目标，加上我们知道改变转向就是&b&改变电机绕组的相序。&/b&那我们就用&b&控制器&/b&来实现。我们电气专业还有一门可编程逻辑器件或者说类似的课程，就教过用PLC如何控制电机。其实现在大多数工厂里控制电机主要也是用PLC控制，因为PLC皮实，扛揍。那我们就用它来实现，控制原理图如下：&/p&&p&&figure&&img src=&https://pic4.zhimg.com/v2-b0f7ff0ba70f69fdde5424a_b.jpg& data-rawwidth=&478& data-rawheight=&360& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&478& data-original=&https://pic4.zhimg.com/v2-b0f7ff0ba70f69fdde5424a_r.jpg&&&/figure&基本原理就是换相序，当KM1常开触点闭合的时候，电机的绕组}