設(shè)計師指南：向智能運(yùn)動控制發(fā)展的電機(jī)驅(qū)動器

隨著機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)自動化和物聯(lián)網(wǎng)的興起，對復(fù)雜電機(jī)控制的需求急劇增加。但無傳感器操作和復(fù)雜算法（例如面向場的控制）通常需要復(fù)雜的編程和強(qiáng)大的計算，這使許多開發(fā)人員無法接觸到它們。然而，更新的控制電機(jī)驅(qū)動芯片正在進(jìn)入市場，在非專家的能力范圍內(nèi)帶來平滑、精確和節(jié)能的運(yùn)動控制。

最基本的，電動機(jī)是一個簡單的概念。它由永磁體和圍繞形成旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動軸布置的電場線圈組成。當(dāng)勵磁線圈通電時，它們以某種方式吸引永磁體，從而導(dǎo)致驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)以使兩者對齊。通過適當(dāng)調(diào)整勵磁線圈通電的方式，可以使這種運(yùn)動連續(xù)進(jìn)行。當(dāng)對齊幾乎完成時，只需將能量依次切換到下一個線圈（稱為換向的過程）以重新定位對齊點(diǎn)。就像用遙不可及的胡蘿卜牽著驢子一樣，結(jié)果是馬達(dá)一直在轉(zhuǎn)動。

第一臺實(shí)用的電動機(jī)早在 1834 年就出現(xiàn)了，從那時起，其尺寸和類型不斷增加。今天，我們擁有為卡車和汽車提供動力的大型電動機(jī)，為手掌大小的四軸飛行器提供動力的微型電動機(jī)，以及介于兩者之間的一切。電機(jī)類型現(xiàn)在包括交流同步和感應(yīng)類型以及具有機(jī)械（有刷）和電子（無刷）換向的直流電機(jī)。在這些廣泛的類別中也有許多變化。

對于許多開發(fā)人員來說，電機(jī)的操作似乎也很簡單：你通電，它就會旋轉(zhuǎn)。但除此之外還有很多事情要做，電機(jī)運(yùn)行的精確控制在機(jī)器人技術(shù)和許多其他系統(tǒng)中變得越來越重要。此外，不同類型的電機(jī)需要不同類型的控制，從而增加了更多復(fù)雜性。

運(yùn)動控制中最流行的兩種電機(jī)類型是步進(jìn)電機(jī)和無刷直流 （BLDC） 電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)，顧名思義，是交流電機(jī)的一種變體，設(shè)計用于以小而離散的弧線或步進(jìn)方式旋轉(zhuǎn)。他們可以在步驟之間暫停以提供一種設(shè)置和保持位置的運(yùn)動。另一方面，BLDC 電機(jī)設(shè)計用于連續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要精確的運(yùn)動控制時，兩者都常用，具體選擇取決于應(yīng)用。

?

機(jī)器人技術(shù)的興起帶來了對精密運(yùn)動控制的需求增加，而新的 IC 正在降低難度。

但是，要提供受控運(yùn)動，您需要知道電機(jī)在其旋轉(zhuǎn)弧中的位置。這些知識不僅對于確定位置至關(guān)重要，而且有助于控制電機(jī)的速度。有些旋轉(zhuǎn)編碼器傳感器可以夾在驅(qū)動軸上以提供此信息，或者有些無傳感器方法使用來自勵磁線圈的反電動勢。

在大多數(shù)情況下，您還需要控制運(yùn)動的速度：速度、加速度，甚至“jerk”，即加速度的時間導(dǎo)數(shù)。您可以通過調(diào)制驅(qū)動勵磁線圈的電流來實(shí)現(xiàn)此控制，并且該電流會隨著旋轉(zhuǎn)位置、電機(jī)質(zhì)量、驅(qū)動軸上的負(fù)載和電機(jī)的磁動力學(xué)而變化。因此，這個看似簡單的操作很快就被證明是電機(jī)控制回路理論中的一個復(fù)雜問題。許多越來越復(fù)雜的控制回路方法已經(jīng)發(fā)展起來，通常以其驅(qū)動波形的基本形狀命名，包括正弦、梯形和磁場定向控制，也稱為矢量控制。因此，針對給定應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)動控制可能需要大量的知識和專業(yè)知識。

高級電機(jī)控制算法似乎令人生畏，但供應(yīng)商正在通過庫、工具甚至預(yù)編程設(shè)備加強(qiáng)對開發(fā)人員的支持。

幸運(yùn)的是，您不再需要成為控制回路和電機(jī)專家即可獲得合理程度的精確運(yùn)動。公司已開始創(chuàng)建電機(jī)控制器，有時稱為運(yùn)動控制器或運(yùn)動處理器，這些算法 在不同程度上預(yù)先編程了這些算法。在某些情況下，它們是參數(shù)化的，因此您只需要輸入一些有關(guān)您的電機(jī)選擇的數(shù)據(jù)。從那里，您只需向設(shè)備發(fā)送您的運(yùn)動命令，其余的就交給它了。這些智能電機(jī)控制設(shè)備大大降低了設(shè)計的復(fù)雜性。

步進(jìn)電機(jī)尤其受益于電機(jī)控制芯片的進(jìn)步。步進(jìn)式移動機(jī)械會產(chǎn)生機(jī)械噪音，但通過控制加速度和加加速度，步進(jìn)器可以提供快速平穩(wěn)的運(yùn)動，機(jī)械噪音最小。如本視頻 所示，使用先進(jìn)控制算法的智能步進(jìn)控制也可以平滑運(yùn)動。

然而，向預(yù)配置電機(jī)控制的轉(zhuǎn)變才剛剛開始，因此運(yùn)動控制芯片具有多種功能級別。Infineon、IDT、STMicroelectronics、Toshiba和Texas Instruments等行業(yè)巨頭為電機(jī)控制器提供庫軟件和工具支持，以實(shí)現(xiàn) FOC 和無傳感器操作等高級算法。其他公司，如Active-Semi、Broadcom、Performance Motion Devices （PMC）和Trinamic，通過提供完全預(yù)編程的設(shè)備來自動處理大部分復(fù)雜性，從而展開競爭。

由于該行業(yè)瞬息萬變，因此從事電機(jī)和運(yùn)動控制工作的開發(fā)人員應(yīng)在做出選擇之前查找有關(guān)最新介紹的新聞。通過牢記您將控制的電機(jī)類型、速度和負(fù)載限制、無傳感器操作的任何要求以及您想要使用哪種控制算法來評估設(shè)備。芯片通常專注于這些領(lǐng)域中的一個或多個。如果您能找到一個滿足您所有參數(shù)并提供大量庫甚至預(yù)編程的設(shè)備，您將節(jié)省大量精力，可以花在完善您的應(yīng)用程序上，而不是調(diào)整運(yùn)動控制?！　?/p>