编程简单 1769-IR6 可靠性高

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一、控制电机是机器人“动力核心”

1.1 电机构成与原理介绍

电机是一种将电能转换为机械能的装置。大多数电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作 用来产生扭矩，作用在电机轴上形成力。电机主要由定子和转子组成，定子上的绕组通电产生 磁场，而转子则通过与磁场相互作用而转动。 主要组成部分可以分为： 1） 外壳：外壳由一个框架（或轴心）和两个端盖（或轴承座）组成。电机的外壳不仅可以将 电机的组件保持在一起，还可以保护内部组件免受湿气和污染物的影响。此外，外壳类型 还会影响电机的冷却，外壳可以分为开放式外壳，完全封闭式外壳。 2） 定子：定子承载磁场绕组和极。定子与转子一起构成机器的磁路或核心。 3） 转子：承载电枢绕组。电枢是承载负载的部分。 4） 绕组：通电后，会产生电磁力。

电机种类多，可以按照不同方式进行分类：1）从运行方式来分，有旋转电动机（含连续旋转、 断续旋转和步进旋转三大类）、直线电动机、平面电动机等；2）从所用电源来分，有交流电动 机（含单相和三相、同步和异步、工频和中频等多种分类）和直流电动机两大类；3）还可从 电压高低、结构形式、体积或功率大小、用途、适用环境等多方面进行分类。

从应用场景来看，电机应用场景众多，在消费市场、工业、车载等都有应用。本文以机器人为 切入点，重点关注在工控、工业机器人领域、人形机器人等领域应用的控制电机。

1.2 电机原材料：钕铁硼渗透率有望提升，编码器国产化步入快车道

电机的上游主要是磁性材料、编码器、芯片和轴承等其他零部件，中游是电机制造，下游是工 控、工业机器人等行业应用。

磁性材料是电机主要原料之一，对电机性能影响较大。电机一般使用磁性较强的材料，强磁 性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一经磁化，很难退磁， 而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体 永磁和稀土永磁，而软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁 材料的不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量 （但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为 Oe 或 A/m。简单一点理解就是矫顽力越高，材料越不容易退磁： 1） 永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，在永磁电机中应用较多； 2） 软磁通过降低矫顽力，追求更高的磁导率，可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并 节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。

钕铁硼性能较好，渗透率有望提升。钕铁硼材料在矫顽力上的表现较优异，同时在磁能积上 也优于其他材料。磁能积较好也意味着单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省 电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于 60），能大大减小电机体积， 减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。唯一的劣势在于温度稳定性比较 差，需要通过添加钴等其他元素来改善温度性能，价格相对较高。

编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的联系。编码器是将信号进行编制、转 换为可用以通讯、传输的信号形式的设备，如为伺服电机的闭环控制产生速度或位置的实际测 量值。编码器种类繁多，按照读出方式可分为接触式和非接触式两种；按照检测工作原理，伺 服电机编码器可主要分为光电编码器、磁性编码器、电感式编码器和电容式编码器。其中，基 于光电转换原理的光编码器和基于磁敏感元件感应磁场变化原理的磁编码器的应用较为广泛。 1） 光电编码器由 LED 光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘 两侧。码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转 时，LED光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波A和B正交脉冲， 可用于确定轴的旋转和速度。 2） 磁电式编码器的原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测 量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化 量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。磁性转 盘的磁极数、磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁性编码器的分辨率，使磁场信 号不会受到灰尘、湿气、高温及振动的影响。

光编码器一般精度较高，成本较高，对工业环境有一定要求，粉尘、水汽等可能会影响编码器 精度；磁编码器成本较为简单，价格优势相对明显。

编码器国产化进行时，看好国内企业突破高端编码器。当前，编码器中的一些芯片、码盘及 磁头等重要元器件仍然依赖于进口，这是国内编码器厂商下阶段的主要突破目标。以码盘为例， 码盘的码道数越多，其外道被分割的区域就越多，即编码器的小分辨率越高。码盘的生产 要求每个码道刻划，并且要求彼此对准，给编码器的国产化进程造成了极大阻碍。除码盘 之外，光电编码器的芯片属于光敏器件，光电结合紧密且工艺特殊，对参数控制要求较高，需 要在高温条件下持续工作，还要保证信号形态正常，且电流输出能力较大，有特殊的封装工艺 要求，是国产化的壁垒。

二、人形机器人时代将至，看好国内厂商切入高端电机市场

2.1 风起人形机器人，机器人电机市场蓄势待发

电机是机器人的关键组成部件之一，电机的扭矩、功率密度和转速等指标决定了机器人的性 能。机器人相关的电机可以分为伺服电机、直流电机、交流电机和步进电机，参考 Skyquest 数据，目前直流电机占比较高，而伺服电机增长较快，主要应用在工业机器人、CNC 系统对精 度要求较高的场合。

我们认为机器人需要根据不同场景去使用对应的电机，工业机器人、服务机器人、协作机器人 等机器人根据应用场景不同，会选择不同电机。本文主要以工业机器人、协作机器人和人形机 器人为例，分析对应电机情况。

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