電機(jī)控制新技術(shù)給機(jī)器人帶來(lái)了怎樣的好處？（1）

我們大多數(shù)人都很了解科幻小說(shuō)里的機(jī)器人，但現(xiàn)實(shí)中真正大量增多的是能夠自我引導(dǎo)和遠(yuǎn)程引導(dǎo)的機(jī)器。這些機(jī)器人操作預(yù)先規(guī)劃好的具體任務(wù)，比如組裝線工作，手術(shù)援助，倉(cāng)庫(kù)提貨/檢索，甚至是如排除地雷等危險(xiǎn)任務(wù)。如今的機(jī)器人不僅能夠處理高重復(fù)度的工作，還能完成在方向和動(dòng)作上需求靈活性的復(fù)雜功能。

圖1：如今機(jī)器人被大量運(yùn)用在小的領(lǐng)域如貼片機(jī)、安裝機(jī)器到大的領(lǐng)域如自動(dòng)組裝線上，它們?cè)诮M裝線上抬、放置、安裝甚至焊接和組裝零件

這些高性能機(jī)器的實(shí)現(xiàn)得益于以下幾個(gè)方面的提升：一是幫助它們“聽”、“看”、“感覺”的傳感器的提升；二是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策及動(dòng)作的計(jì)算能力及算法復(fù)雜性的提升；三是用速度、準(zhǔn)確度和機(jī)械動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)這些決策的電機(jī)的提升。上述的每個(gè)方面在機(jī)器人設(shè)計(jì)中都扮演了重要的角色，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步以及它們之間的協(xié)同作用都迅速在本身建立。

傳統(tǒng)意義上來(lái)看，電機(jī)控制對(duì)電子工程師來(lái)說(shuō)一直是個(gè)難題，因?yàn)榇藭r(shí)要考慮諸多關(guān)鍵問(wèn)題和我們?cè)诔Ｒ?a target="_blank">電子所遇到的有很大不同。幸運(yùn)的是，由于技術(shù)的提高，使得這些問(wèn)題更容易被理解和處理，同時(shí)也使高性能表現(xiàn)成為可能。例如，TI公司DRV8816雙半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)集成了包括短地保護(hù)、高溫報(bào)警、高溫?cái)嚯姷葍?nèi)部保護(hù)功能。低功耗睡眠模式關(guān)閉內(nèi)部電路，以達(dá)到非常低的靜態(tài)電流。高度集成的控制器和驅(qū)動(dòng)器反映了電子和電機(jī)在靈活性和集成性方面所達(dá)到的層次。

從電機(jī)選擇開始

在具體選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，有三個(gè)首要的因素設(shè)計(jì)師要考慮：

1. 電機(jī)的最小最大轉(zhuǎn)速（還有加速度）

2. 電機(jī)可以提供的最大扭矩，還有扭矩和速度曲線的關(guān)系

3. 電機(jī)操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）的精確性和重復(fù)性

當(dāng)然，在選擇電機(jī)時(shí)還有許多其它如尺寸、重量還有成本等重要因素要考慮。幾乎對(duì)于所有小到中等大小的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器電機(jī)的選擇通常有有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和步進(jìn)電機(jī)。（然而，某些情形下液壓與氣壓機(jī)是最好的選擇；請(qǐng)看欄目“利用流體動(dòng)力？”。）

有刷電機(jī)，這個(gè)最古老的的直流電機(jī)技術(shù)，是最簡(jiǎn)單、成本也最低的選擇（圖2）。由于載流刷與轉(zhuǎn)子間的接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切換（轉(zhuǎn)向）圍繞在轉(zhuǎn)子周圍繞組的場(chǎng)。電機(jī)的速度是所加電壓的函數(shù)，因此驅(qū)動(dòng)要求不高，但管理扭矩和關(guān)聯(lián)位置很難。由于電機(jī)磨損、因刷和彈簧臟了需要清理、并且由于刷和轉(zhuǎn)子接觸時(shí)產(chǎn)生的火花可能會(huì)成為電子噪聲源（電磁干擾）等因素，驅(qū)動(dòng)條件也存在可靠性問(wèn)題。由于這些問(wèn)題的存在，大多數(shù)情況下，有刷電機(jī)對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是最不具有吸引力的選擇。

圖2：在有刷電機(jī)里，導(dǎo)電刷（用銅刷毛或更有可能是石墨塊制作而成）接觸轉(zhuǎn)子上的觸點(diǎn)。隨著轉(zhuǎn)子變向，它會(huì)切換周圍線圈電流的極性

無(wú)刷電機(jī)（圖3）的出現(xiàn)開始于19世紀(jì)60年代，這得益于兩方面的發(fā)展：一是出現(xiàn)了堅(jiān)固、體積小、低成本的永磁鐵；二是出現(xiàn)了體積小效率高的電子開關(guān)（通常為mos管，但有時(shí)候是具有低壓降的雙極型晶體管）來(lái)切換流向繞組的電流。周圍固定的切換線圈與旋轉(zhuǎn)芯上的磁鐵間的相互作用取代了有刷電機(jī)的機(jī)械換向。通過(guò)精確控制mos管（通常配置在H橋結(jié)構(gòu)）的通斷，線圈上的磁場(chǎng)因此被切換。通過(guò)改變mos管通斷的頻率，電機(jī)速度從而可以被控制。另外，通過(guò)一個(gè)傳感器，電機(jī)控制器能獲取到機(jī)器人的位置，這樣對(duì)機(jī)器人的性能上能有更好的控制。

圖3：在無(wú)刷電機(jī)里，當(dāng)線圈磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵相互作用時(shí)，定子繞組里的線圈電流被電切換。圖中，空缺的轉(zhuǎn)子屬于中間位置