關(guān)于機(jī)器人使用的電機(jī)選擇分析

但是使用高級算法可以更好的控制馬達(dá)，比如在電機(jī)控制器中嵌入PID（比例 - 積分 - 微分）或FOC（磁場定向控制，有時也被稱為矢量控制）。此所需電機(jī)操作匹配實際的負(fù)載和負(fù)載變化，提供增強(qiáng)的、更精確的性能。例如，馬達(dá)控制算法/程序事關(guān)轉(zhuǎn)子慣性，并相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)驅(qū)動，從而降低因機(jī)械問題導(dǎo)致的故障。使用定制算法能夠使加速和扭矩控制地更精確。

相較于有刷電機(jī)，無刷電機(jī)（BLDC）需要更復(fù)雜的電子控制裝置，但也提供更佳性能。 BLDC電機(jī)通常需要通過霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器或者通過檢測反電動勢來進(jìn)行位置反饋。

機(jī)器人中的BLDC電機(jī)中經(jīng)常使用的一種類型是步進(jìn)電機(jī)（圖3），它采用中心芯周圍的永磁體環(huán)來切換電磁場。步進(jìn)電機(jī)并不是傳統(tǒng)意義上的“旋轉(zhuǎn)”;相反，步進(jìn)軸可以以有限的、一步一步的增量（步驟）方式移動，所以，除連續(xù)旋轉(zhuǎn)外，可以僅移動完整旋轉(zhuǎn)的一小部分。步進(jìn)電機(jī)具備完全可重復(fù)的運動控制;通過指令控制，步進(jìn)軸可以返回到它之前所在的某個具體位置。

“步”的角度通?？梢孕〉?.8?，其中360?（一轉(zhuǎn)）產(chǎn)生約200步的動作。30?的步進(jìn)角轉(zhuǎn)一圈共需12步（12×30= 360）。步進(jìn)角或每轉(zhuǎn)的步數(shù)取決于電機(jī)具有的永久磁鐵數(shù)量，但更高或更低值也是可以的。

圖3：包含所有部件的步進(jìn)電機(jī)框圖。 MOSFETS位于功率級。來源：http：//www.mouser.com/applications/motor-control-stepper/

在步進(jìn)電機(jī)中，如果電源位于的“連通”狀態(tài)，但沒有步進(jìn)指示，它們將維持原有位置。步進(jìn)電機(jī)可以在低轉(zhuǎn)速下提供高扭矩。使步進(jìn)軸移動的最直接方式是按序開關(guān)電磁鐵，但可能會導(dǎo)致顫動或振動。

無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間存在重疊的應(yīng)用類型。步進(jìn)電機(jī)更適合于要求精確往復(fù)運動的應(yīng)用，如拾取和放置，而不適合長時間的連續(xù)轉(zhuǎn)動，以及一些較小型應(yīng)用，不需要電機(jī)提供高轉(zhuǎn)矩或速度。另外，步進(jìn)電機(jī)能效表現(xiàn)上不如無刷直流電機(jī)。

還有許多其它電機(jī)選項。電機(jī)族譜樹很長而且復(fù)雜，還有許多孿生兄弟姐妹。例如，永磁同步電機(jī)（PMSM）是無刷直流電動機(jī)（相對于轉(zhuǎn)子）和AC感應(yīng)電機(jī)（相對于定子結(jié)構(gòu)）的組合。它封裝較小，卻具備高效率，高轉(zhuǎn)矩/重量比，快速響應(yīng)時間，并且容易控制的優(yōu)勢，但成本也高。

控制要求精度

機(jī)器人運動系統(tǒng)不僅僅是一個電機(jī);它包括三個主要功能塊：

1.實時控制器，它有以下三種實現(xiàn)方式：

o一個通用的、計算速度快的處理器，運行運動控制固件

o一個DSP型的FPGA，可編程為控制類應(yīng)用

o一個專用控制器IC，使用硬連線嵌入式算法。

2.一個或多級串聯(lián)驅(qū)動器，從控制器輸出獲取低電平信號，并向控制器輸出電子開關(guān)所需高電壓/電流的信號。

3.MOSFET（或其它的開關(guān)元件，例如IGBT或雙極晶體管），它實際上控制到電機(jī)繞組的電流流動。

選擇用于電機(jī)的MOSEFT需要知道電機(jī)和繞組的電流和電壓要求。隨后開關(guān)MOSFET，需要驅(qū)動器，反倒由MOSFET的等級來確定。實際上，取決于MOSFET尺寸存在一系列升壓驅(qū)動器。

選擇控制器時的常見問題

選擇何種控制是一種策略選擇，需要在具體供應(yīng)商和型號選擇之前決定下來。這里存在諸多權(quán)衡，比如使用通用處理器，它非常適合于電機(jī)控制，以及采用計算友好FPGA或?qū)Ｓ玫目刂?a target="_blank">集成電路（后者通常來自特殊的運動控制供應(yīng)商）。設(shè)計人員必須考慮的一些關(guān)鍵點包括：

?你需要控制算法的復(fù)雜性和復(fù)雜度如何，以及需要多少I / O？

?誰提供控制算法和代碼：集成電路供應(yīng)商，與他們合作的第三方，或無關(guān)聯(lián)的第三方？他們?nèi)绾悟炞C和測試你的電機(jī)和應(yīng)用

?你需要多少用戶可編程性？甚至專用的、非可編程控制器允許用戶選擇算法類型，閉環(huán)控制模式（位置，速度，加速度）以及設(shè)定操作參數(shù)。

?電機(jī)和應(yīng)用是否具有獨特屬性？如果屬實，可編程集成電路是更好選擇。是否有對算法的持續(xù)個性需求？在這種情況下，具有硬連線嵌入式算法的專用集成電路與比完全可編程的集成電路更好。

?控制器是否必需支持多種類型電機(jī)？即使類型唯一，電機(jī)尺寸是大小唯一，還是需要保證在某個范圍內(nèi)？

?供應(yīng)商提供何種級別的技術(shù)支持？他們的實際電機(jī)動手經(jīng)驗如何？他們是否提供已測試過的詳細(xì)參考設(shè)計，包括控制IC和MOSFET驅(qū)動器之間的接口？

?是否需要關(guān)心認(rèn)證問題，比如強(qiáng)制效率（很多電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在必須滿足各種“綠色”標(biāo)準(zhǔn)）？如果屬實，那么供應(yīng)商是否了解并滿足它們，不管是組件還是算法？

開發(fā)套件顯示控制器和接口能力

對于許多工程師來說，將所有部件聚集在一起——包含嵌入式或獨立算法的控制器，驅(qū)動程序和MOSFET——是一個復(fù)雜任務(wù)，并且他們并不想“反復(fù)造車”。因為這些原因，許多供應(yīng)商提供評估板或完整套件，包括控制器、示范算法、驅(qū)動程序和MOSFET。其中一個示例是飛思卡爾MTRCKTSPNZVM1283三相無傳感器PMSM套件，使用無傳感器電機(jī)控制技術(shù)來驅(qū)動三相BLDC或PMSM電機(jī)。這種相當(dāng)復(fù)雜的套件旨在實現(xiàn)通過使用MCU集成ADC模塊方式的反電勢感應(yīng)來進(jìn)行快速原型設(shè)計和評估?；蛘?，同一套件（帶MC9S12ZVML12 MCU）可以配置為基于傳感器的評估，其中具體使用霍爾傳感器或分解器來操作。

伴隨科技的進(jìn)展，包括通過提高電機(jī)控制和傳感實現(xiàn)精確驅(qū)動等技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人將有一個激動人心的前景，并將創(chuàng)造新的機(jī)遇。傳感，控制和電機(jī)是三大關(guān)鍵領(lǐng)域，這里的持續(xù)創(chuàng)新將塑造機(jī)器人的演進(jìn)方向。