Robotics - Motor

2026-08-30 · 随笔 · 371798712f24

“总线”和“无刷”描述的是两个不同维度。

总线说的是通信方式；无刷说的是电机类型。

一个舵机可以同时是：

• 无刷电机；
• 带编码器；
• 通过 CAN/RS485 总线通信；

这种设备通常叫无刷智能伺服执行器。

三个容易混淆的概念

所以：

总线舵机 ≠ 必然无刷

无刷舵机 ≠ 必然能向电脑返回位置

例如：

• STS3215：智能总线舵机，但核心电机不一定是无刷。
• 航模“无刷舵机”：内部可能有无刷电机和位置传感器，但外部仍然只有 PWM 输入，电脑不一定能读取位置。
• 机器人无刷执行器：BLDC + 编码器 + 驱动板 + 减速器 + CAN/RS485，通常可以读写位置、速度、电流和温度。

无刷舵机里面有什么

典型机器人无刷执行器结构：

CAN / RS485 命令
        │
        ▼
控制 MCU
  ├── 位置环
  ├── 速度环
  └── 电流/转矩环
        │
        ▼
三相 MOSFET 驱动器
        │
        ▼
无刷电机 BLDC
        │
        ▼
减速器
        │
        ▼
机械臂关节

编码器构成反馈：

目标位置 ──→ 控制器 ──→ 电机 ──→ 实际关节位置
                ↑                    │
                └──── 编码器反馈 ────┘

无刷电机通常需要知道转子角度，才能正确控制三相绕组。因此常见传感器包括：

• 霍尔传感器；
• 磁编码器；
• 光电编码器；
• 绝对值编码器。

但这里要区分两种“知道位置”。

电机内部知道位置

舵机内部用编码器完成自己的闭环控制，但不一定把位置传给电脑。

这种舵机可能仍然只有：V+ / GND / PWM。

电脑也能读取位置

舵机通过 CAN、RS485 或 TTL 总线开放状态寄存器：

• Actual Position
• Actual Velocity
• Motor Current
• Voltage
• Temperature
• Error Status

这种才适合机器人数据采集和高级控制。

无刷执行器的反馈层次

“有传感器”也需要继续问传感器装在哪里。

1. 电机侧编码器

编码器装在电机转子上：

电机 ── 编码器 ── 减速器 ── 关节

优点是控制电机很方便，但它看不到减速器之后的：

• 齿隙；
• 弹性变形；
• 齿轮磨损；
• 输出端滑动。

2. 输出侧编码器

编码器直接测量机械臂关节：

电机 ── 减速器 ── 关节
                    │
                 编码器

它测到的更接近真实关节角度，但结构和成本更高。

3. 双编码器

高性能机械臂可能同时有：

电机侧编码器 + 输出侧绝对编码器

这样既能控制电机，也能测量减速器误差。

4. 转矩反馈

无刷驱动器可以通过相电流估算转矩：

其中：

• $\tau$：电机转矩；
• $K_t$：转矩常数；
• $I$：电机电流。

但电流估算不等于真正的关节力传感器。减速器摩擦、惯性和齿隙都会带来误差。更高级的机械臂会增加应变片或关节转矩传感器。

机械臂不一定必须采用“总线舵机”

反馈机械臂有三种常见架构。

集成式总线舵机

电脑 → 总线 → 智能舵机

传感器、控制器、驱动器都在舵机里。

优点：

• 接线简单；
• 开发快；
• 容易读取状态；
• 很适合 SO-ARM。

普通电机加外部编码器

STM32 → PWM/驱动器 → 电机
                      ↑
                   编码器

反馈由 STM32 自己读取和控制。

优点是硬件可以更便宜、更自由，但控制软件、PCB 和调试工作明显增加。

无刷电机加工业伺服驱动器

主控制器 → CAN/EtherCAT → 无刷驱动器 → BLDC
                               ↑
                            编码器

工业机械臂更多采用这种结构，而不一定使用 STS3215 这种一体式小舵机。

对 SO-ARM 降本有没有帮助

通常无刷执行器不是降本方案，而是性能升级方案。

它的优势是：

• 效率更高；
• 寿命更长；
• 发热更容易控制；
• 连续输出能力更好；
• 更适合速度和转矩控制；
• 可以实现更柔顺的碰撞响应。

但代价通常是：

• 电机更贵；
• 驱动器更复杂；
• 电源功率更大；
• CAN/RS485 接口成本更高；
• 减速器仍然很贵；
• 机械结构需要重新设计。

对于桌面级 SO-ARM，STS3215 智能总线舵机通常仍然是成本、兼容性和开发难度之间更好的平衡。

如果以后设计更大负载、更长机械臂或者需要力控，再考虑：

• BLDC
• 行星/谐波减速器
• 绝对编码器
• CAN 驱动器

选购“无刷舵机”时，不能只看“无刷”和“有编码器”，还要确认：

1. 能否读取实际位置；
2. 是 PWM 还是双向总线；
3. 编码器在电机侧还是输出侧；
4. 是否支持位置、速度和转矩模式；
5. 连续转矩是多少，而不只是堵转转矩；
6. 减速器齿隙多大；
7. 是否有绝对位置；
8. LeRobot 或自己的控制程序是否支持它的协议。

最简洁的判断是：

无刷决定电机性能，编码器提供反馈，总线决定反馈能不能方便地传给电脑。三者不能互相替代。

可以把机械臂关节拆成四部分：

• 电机：产生力量
• 编码器：测量转到了哪里
• 控制器：比较目标与实际位置
• 总线：在电脑和关节之间传递命令与状态

编码器是什么

编码器是一种测量旋转角度的传感器。

例如电脑要求关节转到 90°：

目标角度：90°
    │
    ▼
控制器驱动电机
    │
    ▼
编码器测得：82°
    │
    ▼
控制器发现还差 8°
    │
    ▼
继续驱动
    │
    ▼
编码器测得：90°

没有编码器，控制器通常只能发出“转动”的命令，却不知道机械臂真正到了哪里。

编码器相当于机械臂的本体感觉。

编码器测量什么

通过连续读取编码器，可以得到：

• 当前角度；
• 旋转方向；
• 旋转速度；
• 是否已经到达目标；
• 是否可能发生堵转；
• 关节有没有被外力推动。

速度通常由角度变化计算：

12-bit 编码器是什么意思

12-bit 可以表示：

个不同位置。

如果覆盖完整一圈：

也就是理论上每一个计数约代表 0.088°。

但这只是分辨率，不等于实际精度。齿轮间隙、结构变形、安装误差和传感器误差都会使真实精度更差。

绝对编码器与增量编码器

绝对编码器的每个角度都有唯一数值：

上电后直接知道：当前位置是 137°

增量编码器只记录移动了多少：

从上次位置向前移动了 20 个计数

断电后，增量编码器通常会忘记原点，需要重新归零。机械臂更喜欢使用绝对编码器，因为重新上电后更容易知道关节位置。

编码器装在哪里也很重要

电机侧编码器：

电机—编码器—减速器—机械臂关节

它测量电机轴，但看不到减速器齿隙和输出端变形。

输出侧编码器：

电机—减速器—机械臂关节—编码器

它更接近真实关节角度，但结构和成本更高。

有刷电机是什么

“刷”指的是电刷。

有刷直流电机内部大致是：

• 固定磁铁
• 旋转线圈
• 电刷
• 换向器

电刷是接触旋转换向器的导电零件：

电源
 │
电刷
 │
换向器
 │
转子线圈

转子旋转时，电刷和换向器通过机械接触自动改变线圈中的电流方向，让电机持续旋转。

优点：

• 控制简单；
• 成本较低；
• 只需要 H 桥就能正反转；
• 低成本舵机中很常见。

缺点：

• 电刷会磨损；
• 有摩擦和电火花；
• 有电磁噪声；
• 效率通常较低；
• 连续运行寿命较短；
• 高负载时比较容易发热。

无刷电机是什么

无刷电机取消了机械电刷和换向器。

典型无刷电机：

• 转子：永久磁铁
• 定子：三相线圈

线圈不跟着旋转，所以不需要通过电刷给旋转线圈供电。

但是控制器必须知道转子的位置，然后依次给三相线圈通电：

编码器/霍尔传感器
        │
        ▼
控制器判断转子位置
        │
        ▼
六个 MOSFET 组成三相逆变器
        │
        ▼
依次驱动 A、B、C 三相线圈
        │
        ▼
转子继续旋转

这种电子切换电流方向的过程叫电子换向。

优点：

• 没有电刷磨损；
• 效率较高；
• 寿命较长；
• 同体积下通常能提供更好的持续输出；
• 散热更容易；
• 适合速度控制和转矩控制；
• 运行通常更平稳。

缺点：

• 必须使用三相驱动器；
• 控制算法更复杂；
• 通常需要霍尔传感器或编码器；
• 成本更高；
• PCB 和功率器件更复杂。

有刷和无刷并不决定有没有反馈

这是最重要的关系：

• 有刷/无刷：电机怎么旋转
• 编码器：怎么测量位置
• 总线：怎么与电脑通信

因此四种组合都可能存在：

例如：

RA8：

• 有刷电机
• 磁编码器
• MCU
• UART 总线

= 有刷智能总线舵机

RX8：

• 无刷电机
• 磁编码器
• MCU
• UART 总线

= 无刷智能总线舵机

两者都有反馈，也都能通过总线读取位置。区别主要在电机的效率、寿命、持续输出能力和成本。

为什么还需要减速器

电机通常转得很快，但直接输出的转矩较小。机械臂需要低速、大转矩，因此会加减速器：

电机高速、小转矩
        │
        ▼
      减速器
        │
        ▼
关节低速、大转矩

理想情况下：

其中 $N$ 是减速比。

例如减速比 100:1，理论上能把转矩放大约 100 倍，但同时速度降低，并会产生摩擦、齿隙和效率损失。

所以一只完整的机器人舵机实际上是：

有刷或无刷电机
       +
减速器
       +
编码器
       +
电机驱动器
       +
控制 MCU
       +
总线通信

可以用一个简单类比记住：

无刷并不自动代表“有反馈”，总线也不自动代表“无刷”。真正适合机械臂的是由电机、减速器、编码器、控制器和通信接口共同组成的闭环关节。

编码器是一种专门测量位置和旋转角度的传感器。

“三项电机”一般写作“三相电机”。这里的“相”不是三个电机，而是三组按不同时间通电的线圈。

什么是三相电机

无刷电机里通常有三组定子线圈：

• A 相线圈
• B 相线圈
• C 相线圈

也常标成：U / V / W。

三组线圈在空间上错开，控制器按顺序给它们通电：

A 产生磁场
    ↓
B 产生磁场
    ↓
C 产生磁场
    ↓
再回到 A

这样电机内部就形成一个不断旋转的磁场，转子上的永久磁铁会跟着这个磁场旋转。

可以想象成三个人围着转盘站在不同位置，按顺序推动转盘：

A 推一下 → B 推一下 → C 推一下 → A 再推

只要切换足够快而且平滑，转盘就会持续旋转。

三相电流是什么样的

理想情况下，三相电流是三个相互错开 $120^\circ$ 的周期信号：

画出来大致是：

A 相：~~~~正~~~~负~~~~
B 相：    ~~~~正~~~~负~~~~
C 相：        ~~~~正~~~~负~~~~

三组电流在时间上错开，因此合成的磁场会连续旋转。

直流电源怎样产生三相电

机器人通常使用电池或直流电源，例如 12V DC。

但无刷电机需要三相电流，因此中间要加入三相逆变器：

直流电源
    │
    ▼
六个 MOSFET
组成三相逆变器
    │
    ├── U 相
    ├── V 相
    └── W 相
         │
         ▼
       无刷电机

每一相使用两个 MOSFET：

• U 相：上管 + 下管
• V 相：上管 + 下管
• W 相：上管 + 下管

因此总共通常是：

个功率 MOSFET。

这也是为什么无刷电机驱动器比普通有刷电机的 H 桥复杂。

编码器在这里有什么作用

控制器需要知道转子现在朝向哪里，才能决定下一步给哪组线圈通电。

编码器测量转子角度
        │
        ▼
控制器计算应当产生的磁场方向
        │
        ▼
控制六个 MOSFET
        │
        ▼
驱动 U、V、W 三相线圈
        │
        ▼
转子旋转

例如：

• 编码器：转子现在位于 32°；
• 控制器：下一步应该增强 B 相、减弱 A 相；
• 驱动器：改变对应 MOSFET 的 PWM。

这个过程会非常快速地循环。

因此编码器有两个用途：

1. 帮助无刷电机完成电子换向；
2. 测量机械臂关节的实际位置。

但要注意，如果编码器装在电机轴上，它主要知道电机转子位置；如果装在减速器输出端，才更接近真实关节位置。

有刷与无刷的关键区别

有刷电机依靠电刷和换向器机械切换电流：

电源 → 电刷 → 换向器 → 转子线圈

无刷电机依靠控制器和 MOSFET 电子切换三相电流：

电源 → MCU → 六个 MOSFET → 三相线圈

所以：

霍尔传感器和编码器

无刷电机也可能只安装三个霍尔传感器。

霍尔传感器通常只能比较粗略地告诉控制器：转子进入了哪个扇区。

编码器则可以更精细地告诉控制器：转子当前位置是 127.36°。

所以：

• 风扇、电动车轮毂电机：霍尔传感器可能足够；
• 机械臂伺服关节：通常更希望使用高分辨率编码器。

完整的无刷机械臂关节可以表示成：

目标关节角度
      │
      ▼
控制 MCU ← 编码器反馈
      │
      ▼
三相逆变器（6 个 MOSFET）
      │
      ▼
三相无刷电机
      │
      ▼
减速器
      │
      ▼
机械臂关节

因此“三相”描述的是电机有三组交替工作的线圈；编码器是告诉控制器电机或关节目前转到哪里的传感器。