關(guān)于機(jī)器人與馬達(dá)控制分析和介紹

由機(jī)器人來裝配計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是由不同的自動(dòng)控制裝置透過取放(pick-and-place)的動(dòng)作來處理印刷電路板的組裝、包裝、甚至是運(yùn)送的每個(gè)環(huán)節(jié)。在電子世界中，半導(dǎo)體就像是電影明星，吸引所有媒體的目光，但在臺(tái)下組裝它們的，是許多的機(jī)器人。機(jī)器人不能因?yàn)闊崮艿漠a(chǎn)生而停下組裝印刷電路板的動(dòng)作，它們必須持續(xù)地移動(dòng)，這就是精密的馬達(dá)控制所發(fā)揮的作用。

依據(jù)不同的功能應(yīng)用，會(huì)創(chuàng)造出迥異的馬達(dá)與控制電路的類型。為了提取重物而設(shè)計(jì)出的機(jī)器人，可能會(huì)采用不需要精密控制速度或定位的高扭力 AC 感應(yīng)馬達(dá)。

另一方面，機(jī)器人手術(shù)則需要極為精密地控制速度與定位。通常會(huì)使用無刷直流 (BLDC) 伺服馬達(dá)，再加上閉路式定位回饋以提供精密的控制，或使用包含大量極數(shù)的步進(jìn)馬達(dá)，才能達(dá)到手術(shù)等級(jí)需求的準(zhǔn)確度。

BLDC 馬達(dá)

典型的 BLDC 馬達(dá)需要精密的電子控制電路以及持續(xù)判斷轉(zhuǎn)子位置的一些方法。轉(zhuǎn)子的位置可透過霍爾效應(yīng)傳感器來判斷，或是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量每個(gè)電樞線圈 Back-EMF 中的變化。有刷直流馬達(dá)的速度由施加的電壓決定，而 BLDC 馬達(dá)的速度則是由切換的頻率決定。馬達(dá)是由圖 1 所示的 PWM 脈沖所驅(qū)動(dòng)的。

圖 1:PWM 驅(qū)動(dòng) BLDC 馬達(dá)

BLDC 馬達(dá)有三種基本類型:單相、雙相及三相，每一種類型的運(yùn)作原理都相同，不是藉由機(jī)械式的電流變向器來改變轉(zhuǎn)子線圈的磁極性，而是利用晶體管持續(xù)改變定子線圈的相位來保持馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。在低功率的應(yīng)用中經(jīng)?？煽吹絾蜗?BLDC 馬達(dá)。雙相馬達(dá)則比較常在中功率應(yīng)用中看到。三相 BLDC 馬達(dá)通常用于驅(qū)動(dòng)磁盤驅(qū)動(dòng)器及 DVD 播放器。如下表所示，每種馬達(dá)類型皆有不同的特性及最適合的特定應(yīng)用。

步進(jìn)馬達(dá)

并非所有應(yīng)用都需要讓馬達(dá)自由地旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)馬達(dá)以有限的增量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，并希望轉(zhuǎn)軸停止不動(dòng)，直到再次開始動(dòng)作。步進(jìn)馬達(dá)沒有刷或接點(diǎn)，是同步的直流馬達(dá)，具有以電子方式切換的磁場以旋轉(zhuǎn)電樞磁鐵，將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械的軸心旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，相當(dāng)于機(jī)械版的 DAC，將數(shù)字步進(jìn)轉(zhuǎn)換為模擬的角度位移。

步進(jìn)機(jī)是同步的直流馬達(dá)，將完整的旋轉(zhuǎn)區(qū)分為離散數(shù)量的步進(jìn)，步進(jìn)或「相位」的數(shù)量與安排在中央齒輪形核心四周的電磁鐵數(shù)量相同。控制傳送至這些磁鐵的電流，即可將馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)至精確的角度。

步進(jìn)馬達(dá)通常是由每個(gè)線圈一個(gè)的 H-bridge 驅(qū)動(dòng)，輸出則是由 PWM 控制 (圖 2)。旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)量呈等比例，旋轉(zhuǎn)速度與脈沖的頻率呈等比例。

圖 2:含 H-bridge 驅(qū)動(dòng)器的簡易步進(jìn)馬達(dá)

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