4. 驱动电机特性与调速原理
井下机器人轮式底盘的行走性能，很大程度上取决于驱动电机在负载变化时能否维持预期转速，以及调速系统能否在爬坡、越障、泥水阻力突增等工况下快速响应而不烧毁功率器件。本节围绕两条主线展开：一是直流有刷电机与无刷直流电机（BLDC）的机械特性差异，二是从PWM占空比到电流环、速度环的双闭环调速结构。理解这两条主线，才能在后继的里程计校准中分清“轮子打滑”与“电机跟不上指令”这两类完全不同的误差来源。
一、机械特性：转速与转矩的负相关关系
直流电机的机械特性描述的是稳态下转速 n 与电磁转矩 T 的关系。他励或永磁直流电机的电枢回路满足 U = E + I·R，其中反电动势 E = Ke·n，电磁转矩 T = Kt·I。联立可得：
n = (U - I·R) / Ke = U/Ke - (R / (Ke·Kt)) · T这说明转速随转矩增大而线性下降，斜率由电枢电阻 R 决定。空载时转速接近 U/Ke，堵转时转矩达到最大值 U·Kt/R。对井下底盘而言，这个斜率意味着：当机器人从平路进入湿滑泥泞路面，阻力矩上升，若电压不变，转速必然下降，行走速度随之降低。有刷电机的这一特性较“软”，且电刷磨损、换向火花在粉尘潮湿环境中会加速老化。
无刷直流电机的机械特性形状相似，但转矩由三相绕组按电子换向顺序通电产生，其等效斜率更小、低速转矩更平稳。BLDC的转速同样近似正比于外加平均电压，因此“调压调速”的思路对有刷与无刷都成立，区别在于无刷电机必须依靠霍尔传感器或反电动势过零检测来确定换向时刻，控制器在换向的同时完成电压调节。工程上一个常见示例参数是：某24V有刷减速电机空载转速约120 r/min、额定转矩2 N·m、堵转转矩约8 N·m；同规格BLDC配合行星减速器后额定转矩可达3 N·m以上，效率高出10~15个百分点。这些数值属于教学示例，实际选型须以厂家铭牌与实测为准。
二、PWM调速：用占空比等效平均电压
井下机器人电池电压固定（常见24V或48V），要改变电机平均电压，最直接的办法是PWM斩波。功率MOSFET按固定频率导通与关断，电枢两端得到幅值为U的方波，其平均值 U_avg = D·U，D为占空比。由于电机绕组电感对电流有平滑作用，电流纹波被限制在可接受范围，宏观上表现为“电压可调”。
PWM频率的选择需要权衡：频率过低（如1 kHz以下）电流纹波大、电机有可闻啸叫、转矩脉动明显；频率过高则开关损耗与驱动发热上升。轮式底盘驱动常用8~20 kHz，既超出人耳敏感区，又让MOSFET温升可控。占空比与转速并非严格线性，因为存在死区、导通压降和摩擦死区，低速段尤其明显——当D低于约5%~8%时电机可能根本不转，这段“启动死区”在里程计低速标定时必须避开。
另一个实践要点是方向控制。H桥通过改变对角桥臂导通组合实现正反转，换向瞬间必须插入死区时间（典型数百纳秒到数微秒），防止上下桥臂直通短路。井下环境湿度大，功率板爬电与凝露会放大这一风险，硬件死区与软件互锁应同时具备。
三、电流环与速度环：双闭环的基本分工
仅有PWM开环调速，电机在负载突变时转速跌落明显，且启动电流不受控，容易触发过流保护。实际驱动器普遍采用电流环在内、速度环在外的串级结构。
电流环是最内层，采样周期最短（典型10~50 μs），被控量是相电流或母线电流。它把电流指令与实际电流之差送入PI调节器，输出即PWM占空比。电流环的作用是“限流”和“快速跟随”：启动或堵转时把电流钳制在设定上限（例如额定电流的1.5~2倍），既保证足够转矩又不烧毁绕组；负载突变时电流环在毫秒级内调整占空比，抑制转矩波动。
速度环在外层，采样周期较长（典型1~10 ms），被控量是编码器或霍尔测得的转速。速度环PI的输出作为电流环的指令。它的任务是消除稳态转速误差、抵抗负载扰动。调参时先整定电流环（使其阶跃响应快而不振荡），再整定速度环；速度环带宽应明显低于电流环，否则两环相互干扰。一个可参考的教学整定顺序是：先给电流环比例增益使其在额定电流阶跃下无超调，再逐步提高速度环比例增益至转速阶跃出现轻微超调后回调，最后加积分消除静差。
对里程计校准而言，双闭环的意义在于：速度环稳定后，轮速指令与实际轮速的偏差被压到很小，此时里程误差主要来自轮径磨损、打滑与编码器分辨率，而非电机跟随不良。反之，若速度环增益过低，爬坡时轮速明显低于指令，里程计会系统性偏大——这是排障时必须先排除的电机侧因素。
四、从特性到整定：一个可操作的检查思路
把上述知识落到调试现场，可以按“先看特性、再调环、后验速”的顺序推进。第一步，确认电机铭牌的空载转速与额定转矩，用示波器观察PWM占空比从10%逐步升到90%时相电流波形是否平滑、有无异常尖峰，判断功率级与换向是否正常。第二步，在空载下给速度环一个阶跃指令（例如从0到额定转速的50%），用编码器数据记录上升时间与超调量，若超调过大则降低速度环比例增益，若稳态有静差则适当增加积分。第三步，加载测试：让底盘在已知坡度上行走，比较指令轮速与实测轮速，偏差持续偏大说明速度环带宽不足或电流限幅过低。
需要强调的是，电流环限幅值不是越大越好。限幅过高会让启动电流冲击减速器与轮轴，井下狭小空间内还可能触发电池保护；限幅过低则爬坡无力、速度环积分饱和。合理的做法是先按电机额定电流的1.5倍设定，再根据实际坡道与负载微调，并观察MOSFET与电机温升。只有电机侧调速稳定、轮速跟随良好，后续的里程计校准才有可靠的基础。