了解電機(jī)驅(qū)動的掃地機(jī)器人的世界

隨著世界變得越來越自動化，使用常規(guī)立式吸塵器清潔房屋感覺苦不堪言。自 2002 年首臺掃地機(jī)器人上市以來，清潔機(jī)器人的功能和可用選項大幅增加。事實上，許多優(yōu)質(zhì)機(jī)器人真空吸塵器目前已進(jìn)入第六代。

推動這一變化的因素- 無論是比喻含義還是字面含義 - 是使您的現(xiàn)代掃地機(jī)器人流暢運(yùn)行的一個器件 - 電機(jī)驅(qū)動。如同今天的家用機(jī)器人助手一樣，電驅(qū)動的尺寸持續(xù)縮小，同時性能也在提高。

在本文中，我將回顧真空機(jī)器人的主要特點和當(dāng)前趨勢，以及電機(jī)驅(qū)動如何幫助滿足這些要求。

展望未來，預(yù)計真空機(jī)器人將變得不那么笨拙（換言之，不那么容易迷失方向）且運(yùn)行更快。設(shè)計尺寸也將繼續(xù)縮小，使他們能夠清潔諸如廚柜或低間隙家具之類的狹窄部位。

掃地機(jī)器人設(shè)計挑戰(zhàn)

電池壽命和可靠性是真空機(jī)器人面臨的兩大設(shè)計挑戰(zhàn)。大多數(shù)掃地機(jī)器人都是電池供電的，并從電源座充電。掃地機(jī)器人的典型框圖如圖 1 所示。

圖1：真空機(jī)器人的部分

電機(jī)是掃地機(jī)器人的重要組成部分。如何驅(qū)動電機(jī)以及使用何種電機(jī)驅(qū)動決定電池壽命和可靠性。

讓我們回顧一下控制掃地機(jī)器人消耗的大部分功率的主要系統(tǒng)模塊、所涉及的主電機(jī)，以及確定哪種電機(jī)驅(qū)動將控制并降低功耗的系統(tǒng)要求：

掃地機(jī)器人的主吸力是通過一個運(yùn)行在 3 到 4A 的電機(jī)來完成的，通常具有高達(dá)8A的峰值電流。效率和全面保護(hù)是關(guān)鍵要求。該電機(jī)通常由無刷電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行驅(qū)動，以降低噪音并提高效率。

兩個雙向輪使用有刷電機(jī)驅(qū)動。早期型號只能向一個方向移動，但雙向輪在解鎖機(jī)器人或使其從困難的位置改變方向時非常有用。這些是低速電機(jī)，帶典 <1A 的典型均方根（RMS）額定電流。與光滑的瓷磚或硬木地板相比，需要更好的扭矩在諸如地毯等更粗糙的地板類型移動。另一個關(guān)鍵要求是監(jiān)控輸出電流，且如果電流持續(xù)較長時間，則向微控制器（MCU）發(fā)送反饋，這可能表明真空機(jī)器人卡住了。

主刷使用位于掃地機(jī)器人中心的有刷電機(jī)，用于攪動和拉動地板上的污垢。這是一款中速電機(jī)，額定RMS電流約為3A。

取決于掃地機(jī)器人和品牌的類型，可能有一個或兩個單向側(cè)刷以中速運(yùn)行。這些側(cè)刷通過向內(nèi)朝向機(jī)器人的中心旋轉(zhuǎn)而將污垢驅(qū)動到主刷上。RMS電流額定值 <1A。

我提及的大多數(shù)電機(jī)都是有刷電機(jī)，RMS電流額定值從 1A 到 3A 不等，

在前幾代掃地機(jī)器人中，跨分流電阻的外部電流感應(yīng)處理輸出電流的監(jiān)測和感應(yīng)。這些分流電阻器體積大，價格昂貴，占用了電路板上的大量空間。使用外接笨重的高值分流電阻也會增加功耗，從而減少機(jī)器人的電池使用時間。

圖3所示為早期一代掃地機(jī)器人的框圖，其中DRV8870需要外部分流電阻來感應(yīng)電流，而外部放大器則需要向MCU發(fā)送反饋。這需要額外的電路板空間，增加成本，并增加了布線復(fù)雜性和維護(hù)。

將DRV8870替換為DRV8874或DRV8876無需感應(yīng)電阻和放大器，因為電流感應(yīng)反饋在內(nèi)部發(fā)生，如圖 2 所示。

圖2：驅(qū)動雙向電機(jī)，將 DRV8870 替換為 DRV8874 或 DRV8876 的示例

圖 3 所示為 DRV8870 和 DRV8876 之間分流電阻尺寸的減小。

圖3：DRV8870 和 DRV8876 的外部分流電阻尺寸

如果電機(jī)需要為雙向型（如在車輪或主刷電機(jī)中），則驅(qū)動需要兩個輸入（N1和N2），以使用兩個MCU管腳驅(qū)動電機(jī)。

掃地機(jī)器人還具有單向側(cè)刷。使用單向驅(qū)動時，DRV8874或DRV8876只需要一個輸入管腳（EN管腳），從而減少 MCU 引腳，如圖 4 所示。

圖4：使用 DRV8874 或 DRV8876 驅(qū)動單向電機(jī)

DRV8874 和 DRV8876 具有多種優(yōu)勢，可延長電池壽命和可靠性。集成電流感應(yīng)無需外接分流電阻器，節(jié)省了材料成本和空間，同時顯著減少了設(shè)計工作量。

電流感應(yīng)的增加也無需用于反饋的外接增益放大器。這些器件的低睡眠電流和無龐大的分流電阻有助于降低功耗并延長真空機(jī)器人的電池壽命，而內(nèi)部電流感應(yīng)可實現(xiàn)主動失速監(jiān)控，以確定電機(jī)是否卡在某個位置，或者是否有車輪老化或磨損。

DRV887x系列有刷電機(jī)采用 Pin-2 管腳 RDS(on)可擴(kuò)展型，可覆蓋高達(dá) 10A 的寬范圍峰值電流。DRV8876采用3mm×3 mm四方扁平無管腳封裝。

隨著掃地機(jī)器人的實用性增加，它們的功耗和再充電所需的時間也增加。通過添加集成功能，DRV8876 和 DRV8874 可在節(jié)省空間和成本的同時降低總體功耗，從而有助于解決公用事業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷