合適的電機(jī)對于機(jī)器人來說有多重要

隨著技術(shù)的提高，速度和靈活性的提高，成本的下降，機(jī)器人的采用率勢必會提高。我們正在接近行業(yè)的拐點，即使用機(jī)器人的成本效益好于勞動力。此外，機(jī)器視覺、計算能力和網(wǎng)絡(luò)方面的進(jìn)步使機(jī)器人能夠用于更廣泛的領(lǐng)域。高度集成的控制器和驅(qū)動器指向了電子和電機(jī)所達(dá)到的靈活性和集成度水平

那么如何為機(jī)器人選擇合適的電機(jī)？設(shè)計人員在選擇特定的電機(jī)類型和型號時有三個主要參數(shù)：

1.最小和最大電機(jī)速度（和相關(guān)的加速度）；

2.電機(jī)可以提供的最大扭矩，以及扭矩—轉(zhuǎn)速曲線；

3.電機(jī)運行的精度和可重復(fù)性（不使用傳感器和閉環(huán)控制）。

當(dāng)然，還有許多其他的性能因素，包括尺寸、重量和成本因素。對于幾乎所有的中小型機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最常見選擇是有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)（BLDC）和步進(jìn)電機(jī)。（但是，在某些情況下，氣動和液壓是最好的選擇。）

最古老的直流電機(jī)技術(shù)——有刷電機(jī)是最簡單和成本最低的選擇。通過與轉(zhuǎn)子接觸的載流電刷，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可切換（換向）圍繞轉(zhuǎn)子的繞組磁場。電機(jī)轉(zhuǎn)速是施加的電壓的函數(shù)，所以驅(qū)動要求是最小的，但是管理扭矩是困難的。由于刷子磨損，它們也存在可靠性問題，可能需要進(jìn)行清潔維護(hù)，并且是電噪聲（EMI）的來源。由于這些原因，有刷直流電機(jī)在大多數(shù)情況下是機(jī)器人最不具吸引力的選擇。

無刷直流電機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，由于堅固、小型、低成本的永磁體和小型、高效的電子開關(guān)（通常為MOSFET）來切換流向繞組的電流，所以是對有刷電機(jī)的改進(jìn)。 “電子換向”取代了實際接觸電機(jī)的電刷，來開啟和關(guān)閉磁場。因此，利用了磁場與電能流動之間的關(guān)系。電機(jī)速度通過改變MOSFET開關(guān)的速度來控制。另外，與有刷電機(jī)相比，這種電機(jī)的控制器有更嚴(yán)格的電機(jī)性能控制。

在無刷電機(jī)中，當(dāng)磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用時，線圈電流在定子繞組中進(jìn)行電子切換。在這個圖像中，缺少的轉(zhuǎn)子屬于中心。

但是，這些電機(jī)還可以實現(xiàn)更好的控制，因為PID（比例積分微分）或FOC（磁場定向控制，有時也稱為矢量控制）等高級算法可以嵌入到電機(jī)控制器中。這使所需的電機(jī)操作符合負(fù)載和負(fù)載變化的實際情況，從而提供更強(qiáng)大、更準(zhǔn)確的性能。例如，電機(jī)控制算法/編程可以考慮轉(zhuǎn)子的慣性，并相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)驅(qū)動，從而減少由于機(jī)械問題所引起的誤差。使用定制算法可以更精確地控制加速度和扭矩。

與有刷電機(jī)相比，無刷電機(jī)（BLDC）需要更復(fù)雜的控制電子器具，但性能可能會更好。BLDC電機(jī)通常需要通過霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器或通過感應(yīng)反電動勢的位置反饋。

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)器人中經(jīng)常使用的一種特定類型的BLDC電機(jī)，該電機(jī)采用了布置在中心磁芯周圍的切換電磁體，磁芯是采用永磁體環(huán)排列。在正常意義上，步進(jìn)電機(jī)是不“旋轉(zhuǎn)的”；相反，電機(jī)軸被引導(dǎo)進(jìn)行有限、逐步的增量（步進(jìn)）運動，因此可以被引導(dǎo)進(jìn)行一個完整的旋轉(zhuǎn)的一部分的轉(zhuǎn)動以及連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有非常可重復(fù)的運動控制；步進(jìn)電機(jī)可以返回到原來的位置，如果被引導(dǎo)的話。

“步距”的角度一般小至1.8°，在360°（一次旋轉(zhuǎn)）的情況下可產(chǎn)生大約200步的運動。在360°運動中，步距角為30°，每次旋轉(zhuǎn)可產(chǎn)生12步（12 X 30 = 360）。 步距角或每轉(zhuǎn)的步數(shù)取決于電機(jī)所具有的永磁體的數(shù)量，但是可以使用更高和更低的值。

使用步進(jìn)電機(jī)時，如果電源“接通”，但沒有步進(jìn)指令，它們則保持其位置不動。步進(jìn)電機(jī)可以在低轉(zhuǎn)速時提供高扭矩。引導(dǎo)步進(jìn)電機(jī)移動的最直接的方法是依次打開或關(guān)閉電磁鐵，但這會引起震顫或振動。

BLDC和步進(jìn)電機(jī)之間存在應(yīng)用重疊。步進(jìn)電機(jī)更適合需要精確來回運動的應(yīng)用，如拾取和放置，而不是長時間連續(xù)旋轉(zhuǎn)，以及不需要電機(jī)提供高扭矩或速度的小型應(yīng)用。而且，步進(jìn)電機(jī)不像無刷直流電機(jī)那樣節(jié)能。

當(dāng)然，還有很多其他的電機(jī)選項。電機(jī)家族譜系樹長而復(fù)雜，有許多兄弟姐妹和表親。例如，永磁同步電機(jī)（PMSM）是無刷直流電機(jī)（相對于轉(zhuǎn)子）和交流感應(yīng)電機(jī)（相對于定子結(jié)構(gòu)）的組合。它的特點包括：高效率、在小封裝中功率相對較高、扭矩/重量比高、響應(yīng)時間快、控制相當(dāng)容易，但成本高。

控制需要精良

機(jī)器人運動系統(tǒng)不僅僅是一個電機(jī)，它由三大功能塊組成：

1. 實時控制器，可以通過以下三種方式之一來實現(xiàn)：

? 一個通用的計算速度快的處理器，來運行運動控制固件

? 為控制應(yīng)用編程的DSP導(dǎo)向FPGA

? 具有硬連線、嵌入式算法的專用控制器IC。

2. 串聯(lián)一個或多個驅(qū)動器級，以從控制器輸出獲取低電平信號，并將它們接到電子開關(guān)所需的更高電壓/電流。

3. MOSFET（或其他開關(guān)元件，例如IGBT或雙極晶體管），它實際上控制流向電機(jī)繞組的電流。

為電機(jī)選擇MOSEFT需要了解電機(jī)及其繞組的電流和電壓要求。然后，要打開和關(guān)閉的MOSFET需要一個驅(qū)動器，由MOSFET的額定值決定。 事實上，根據(jù)MOSFET的尺寸，可能需要一系列升壓驅(qū)動器。

在選擇控制器時需要提出的問題

為所有這些電機(jī)選擇使用的控制類型是在選擇特定供應(yīng)商或型號之前應(yīng)該作出的戰(zhàn)略選擇。這是因為在決定使用非常適合于電機(jī)控制的通用處理器時有許多東西要去權(quán)衡，比如易于計算的FPGA或?qū)Ｓ每刂艻C（后者通常來自專門的運動控制供應(yīng)商）。設(shè)計師必須考慮下面一些要點，包括：

?您需要什么級別的控制算法精確度和復(fù)雜性，以及要多少I / O？

?誰提供控制算法和代碼：IC供應(yīng)商，與他們合作的第三方，還是不相關(guān)的第三方？他們?nèi)绾悟炞C和測試您的電機(jī)和應(yīng)用？

?您需要多少用戶可編程性？即使是專用的，不可編程的控制器也允許用戶選擇算法類型、閉環(huán)控制模式（位置、速度、加速度）和設(shè)置操作參數(shù)。

?電機(jī)和應(yīng)用程序是否有獨特的屬性？如果是這樣，一個可編程IC可能會更好。如果有不斷的請求修改算法呢？在這種情況下，采用硬連線嵌入式算法的專用IC可能比完全可編程的IC更好。

?控制器是否必須支持多種類型的電機(jī)？即使只有一種類型，是支持一種這種類型的電機(jī)尺寸還是一系列尺寸？

?供應(yīng)商提供哪些技術(shù)支持？他們有什么真正實際的電機(jī)經(jīng)驗？他們是否提供了已經(jīng)構(gòu)建和測試的詳細(xì)參考設(shè)計，包括控制IC和MOSFET驅(qū)動器之間的接口？

?是否有法規(guī)問題需要注意，比如規(guī)定的效率（許多電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在必須符合各種“綠色”標(biāo)準(zhǔn)）？如果是這樣，供應(yīng)商的組件和算法是否能夠理解和滿足？

開發(fā)套件顯示控制器和接口功能

對于許多工程師來說，將所有部件拉到一起——帶有嵌入式或獨立算法的控制器、驅(qū)動器和MOSFET——是一項多學(xué)科的任務(wù)，而且他們不希望“重新發(fā)明輪子”。出于這個原因，許多供應(yīng)商提供評估板或完整的套件與控制器、樣本算法、驅(qū)動器和MOSFET。飛思卡爾的MTRCKTSPNZVM128三相無傳感器PMSM套件是其中一個例子，它被用于驅(qū)動使用無傳感器電機(jī)控制技術(shù)的三相BLDC或PMSM電機(jī)。通過采用集成ADC模塊的微控制器的反電動勢感測，這個相當(dāng)復(fù)雜的套件旨在幫助實現(xiàn)快速的原型設(shè)計和評估?；蛘撸部梢詫⒋颂准ň哂蠱C9S12ZVML12微控制器）配置為基于傳感器的，以便使用霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行操作評估。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的未來前景激動人心，這些進(jìn)步包括通過改進(jìn)的電機(jī)控制和傳感實現(xiàn)精確驅(qū)動，從而創(chuàng)造了新的機(jī)會。傳感、控制和電機(jī)是關(guān)鍵的領(lǐng)域，隨著技術(shù)創(chuàng)新不斷發(fā)展，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新將持續(xù)影響機(jī)器人的技術(shù)演進(jìn)。