機器人設(shè)計中的電機選擇指南

機器人執(zhí)行特定的、精確定義的任務(wù)，比如流水線作業(yè)，手術(shù)援助，倉庫發(fā)貨/檢索，甚至還有礦井清理。當(dāng)前的機器人可以同時處理高度重復(fù)的任務(wù)和復(fù)雜的功能，比如需要具備方向和行動上（圖1）的靈活性。隨著技術(shù)的改進，速度和靈活性在提升，成本也有所下降，人們的接受程度也在增加。目前已接近行業(yè)中的拐點，即機器人的成本效益比人工勞力更好。此外，機器視覺、計算能力和網(wǎng)絡(luò)方面的進步促使機器人獲得了更廣泛的應(yīng)用。

圖1：目前人們也經(jīng)在許多應(yīng)用中采用機器人，覆蓋小到小型拾放機以及大到大型汽車自動組裝生產(chǎn)線（包括抬取、安置、安裝甚至焊接部件與子組件）（來源：IStockPhoto.com）

以下技術(shù)進步成就了當(dāng)前的高性能機器人：
? 各類復(fù)雜的傳感器
? 計算能力以及算法支持實時決策和動作
? 電機可以快速、高精度地使用機械動力來完成日益復(fù)雜的任務(wù)。

每個因素都對機器人設(shè)計起了至關(guān)重要的作用，因為技術(shù)的進步以及它們之間存在協(xié)同發(fā)展效應(yīng)。

傳統(tǒng)上，管理電機對電子工程師來說一直是一個挑戰(zhàn)，因為許多問題與更熟悉的電子領(lǐng)域表現(xiàn)差異巨大。幸運的是，技術(shù)進步使得這些問題更易于處理，同時也帶來了更好的性能。例如，德州儀器DRV8816雙半橋式電機驅(qū)動器集成了內(nèi)部保護功能和低功耗睡眠模式，從而靜態(tài)電流可以非常小。高度集成的控制器和驅(qū)動器將電子和電機的靈活性和集成度提升到一個新水平。

選擇電機指南

在選擇特定的電機類型和型號時，設(shè)計人員需要考慮三個主要參數(shù)：
1. 電機的最小和最大速度（和相關(guān)聯(lián)的加速度）;
2.電機可以提供的最大扭矩，和轉(zhuǎn)矩與速度曲線;
3. 電機操作的精度和重復(fù)性（在不使用傳感器和閉環(huán)控制時）。

當(dāng)然，也有涉及電機選擇的其它諸多性能因素，包括尺寸大小，重量和成本。對于幾乎所有小到中型的機器人傳動裝置，為傳動裝置供電的最常用選擇包括直流有刷電機、直流無刷電機（BLDC）和步進電動機。 （不過，也有一些案例中，最好選擇是液壓與氣壓）

有刷電機是最早的直流電機技術(shù)，也是最簡單、成本最低的選擇。電機的轉(zhuǎn)子經(jīng)由通電刷來開關(guān)（整流）圍繞轉(zhuǎn)子繞組的磁場，而電刷與轉(zhuǎn)子接觸。電機速度是施加電壓的函數(shù)，因此，驅(qū)動要求最小值，但管理轉(zhuǎn)矩很難。而且也有因電刷磨損引發(fā)的可靠性問題，可能需維護清潔性，并且也是電噪聲（EMI）的來源?；谶@些原因，直流有刷電機在大多數(shù)情況是機器人最差選擇。

直流無刷馬達（圖2）大約出現(xiàn)于20世紀60年代，相對于有刷電機，使用了小型低成本強力的永久磁鐵和小型高效的電子開關(guān)（通常的MOSFET）來切換電流到繞組流向。 “電子換向”取代了需要實際觸摸電機的電刷，以接通和關(guān)斷磁場。因此，磁場和電能流之間的關(guān)系得以被發(fā)掘使用。電機速度通過改變MOSFET的接通和斷開的速度來控制。另外，相較于有刷電機，無刷電機控制器在馬達性能控制方面更嚴格。

圖2：在無刷電機中，線圈電流以電子方式在定子繞組中開斷，而它們的磁場與轉(zhuǎn)子中的永久磁鐵相互作用。在該圖中，未出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子位于中心位置。