Att välja rätt motor till en robot
Motorer finns överallt omkring oss och numera tar vi dem för givet. Det finns stora motorer som de i bilar och flygplan och små motorer som driver fläkten i datorn eller som snurrar på hårddisken.
Man skulle kunna tro att om man behöver en motor är det bara att välja en med rätt dimension och så är man klar. Motorer har funnits så länge att detta problem borde vara löst, men så är det verkligen inte.
Utvecklingen av motorer går fortfarande framåt, och tack vare mer avancerad styrning av elektriska motorer har nya typer av motorer dykt upp.
Vi håller just nu på att leta efter och välja bland en mängd motorer för vår kommande robot. Ju mer jag gräver i det här området desto mer förvånad blir jag över hur skevt utbudet av motorer för robotar är. Robotbygge är ingen stor marknad och det märks tyvärr på utbudet. Men det finns eldsjälar och duktiga ensamma innovatörer som med hjälp av Kina och internet har skapat fantastiska produkter. Mer om det senare.
Nu tänkte jag beskriva de fyra huvudtyperna av motorer jag hittat. Vi fokuserar bara på elmotorer här och bara sådana som passar att ha i robotar.
I en robot vill vi gärna ha ganska låg hastighet, hög precision, tillräckligt högt vridmoment, låg strömförbrukning och enkel styrning med en mikrokontroller. Det kan finnas undantag till det här, tex för flygande robotar som behöver en mycket hög hastighet på motorerna. Vårt fokus är dock på en robot med hjul som ska röra sig relativt långsamt.
Likströmsmotor (DC-motor)
Den vanligaste motorn bland enklare elektronikprojekt är helt klar likströmsmotorn med borstar. Detta är en klassiker som vi fått lära oss om i fysiken.
Motorn drivs genom att ström leds in i två elektromagneter som då blir magnetiska och vrider på motorn. ”Borstarna” är de kontakter som gör att strömmen hela tiden ändrar riktning och därmed får motorn att snurra.
Likströmsmotorn är enkel, billig och finns i mängder av storlekar och variationer. Dock är det svårt att köra en borstad motor i låga hastigheter. För att kunna köra långsamt måste motorn växlas ner med en växellåda. Även här finns det mängder av varianter och utväxlingar. Det finns till och med enkla motorer med växellåda helt i plast.
Växellådor är dock inte helt oproblematiska. Det är rörliga delar som kan gå sönder och de kan låta en hel del. Kugghjulen i en växellåda behöver utrymme vilket kan vara dyrbart i en robot.
Precisionen på en likströmsmotor är generellt ganska dålig. För att kunna säkerställa precision behövs ytterligare sensorer, tex en sk encoder som mäter antalet varv motorn snurrar.
Borstlös motor (brushless)
Borstlösa motorer är motorer som drivs med en 3-fasig växelström. Istället för borstar regleras elektromagnetismen med fasförskjutningen i växelströmmen.
Borstlösa motorer kräver därför en ganska avancerad motorkontrollkrets som kan skapa denna växelström. Inom hobbydrönarflygning har utvecklingen kommit långt och det finns numera många varianter av borstlösa motorer och sk ESC (Electronic Speed Control) för motorkontroll.
En av anledningarna till att de borstlösa motorerna blivit populära inom drönare är att de är mycket effektiva. Tack vare avsaknaden av borstar är det mycket liten friktion i motorn.
Borstlösa motorer är alltså effektivare och tystare, men de är dyrare och kräver mer avancerad styrning som också är dyr.
Servomotor
En servomotor är en motor som går att köra till en viss vinkel. Dessa kan användas till exempel för att styra en robotarm eller vrida på en kameramodul. Servomotorer går ofta ganska långsamt tack vare en inbyggd växellåda. Det är vanligt att servomotorer har ett begränsat rörelseområde, tex 180°, men det finns också kontinuerliga servomotorer som fungerar som en vanlig DC-motor med växellåda.
Servomotorer kan fungerar väldigt bra i robot-tillämpningar, men på grund av växellådan är de ofta ganska stora och klumpiga vilket gör att robotar som behöver många servon snabbt blir stora och tunga.
Om du är intresserad av servomotorer rekommenderar jag att titta på Dynamixels sortiment. Jag har inte testat dessa själv än, men de verkar hålla hög kvalitet och har dessutom inbyggt nätverk så att de går att koppla ihop i en kedja vilket gör att mycket kabeldragning kan undvikas.
Stegmotor (stepper motor)
En stegmotor är en mycket speciell typ av motor. Den har också elektromagneter men dessa är placerade i ett mycket fiffigt mönster som gör att motorn kan vridas i små, små steg och därmed med mycket stor precision.
En stegmotor används bäst i tillämpningar som kräver hög noggrannhet men inte så mycket vridmoment. 3D-skrivare är ett typiskt exempel på en maskin som fungerar bra med stegmotorer.
På grund av den komplicerade konstruktionen krävs det ganska avancerad motorkontroll för bra styrning av en stegmotor.
Sammanfattning
Här har jag gått igenom fyra av de vanligaste el-motorerna för robotar. Som du märker finns det för- och nackdelar med alla och valet av motor beror helt på hur din robot, eller annan tillämpning, ska fungera. Vissa tillämpningar behöver ha ett lågt pris, vissa behöver ha låg vikt, vissa behöver dra lite el. Motorn du väljer för ditt projekt kommer att påverka både de fysiska dimensionerna, kontrollsystemet, värmeutvecklingen och strömförsörjningen. Välj motor med omsorg!
