關(guān)于電機(jī)控制技術(shù)的介紹

我們大多數(shù)人都很了解科幻小說里的機(jī)器人，但現(xiàn)實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，倉庫提貨/檢索，甚至是如排除地雷等危險任務(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)域如自動組裝線上，它們在組裝線上抬、放置、安裝甚至焊接和組裝零件。（圖片來源：IStockPhoto.com）

這些高性能機(jī)器的實現(xiàn)得益于以下幾個方面的提升：一是幫助它們“聽”、“看”、“感覺”的傳感器的提升；二是實現(xiàn)實時決策及動作的計算能力及算法復(fù)雜性的提升；三是用速度、準(zhǔn)確度和機(jī)械動力來實現(xiàn)這些決策的電機(jī)的提升。上述的每個方面在機(jī)器人設(shè)計中都扮演了重要的角色，因為技術(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)意義上來看，電機(jī)控制對電子工程師來說一直是個難題，因為此時要考慮諸多關(guān)鍵問題和我們在常見電子所遇到的有很大不同。幸運的是，由于技術(shù)的提高，使得這些問題更容易被理解和處理，同時也使高性能表現(xiàn)成為可能。例如，TI公司DRV8816雙半橋電機(jī)驅(qū)動器已經(jīng)集成了包括短地保護(hù)、高溫報警、高溫斷電等內(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)型號時，有三個首要的因素設(shè)計師要考慮：

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）的精確性和重復(fù)性

當(dāng)然，在選擇電機(jī)時還有許多其它如尺寸、重量還有成本等重要因素要考慮。幾乎對于所有小到中等大小的機(jī)器人驅(qū)動器來說，驅(qū)動器電機(jī)的選擇通常有有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(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；請看欄目“利用流體動力？”。）

有刷電機(jī)，這個最古老的的直流電機(jī)技術(shù)，是最簡單、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)動會切換（轉(zhuǎn)向）圍繞在轉(zhuǎn)子周圍繞組的場。電機(jī)的速度是所加電壓的函數(shù)，因此驅(qū)動要求不高，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)子接觸時產(chǎn)生的火花可能會成為電子噪聲源(電磁干擾)等因素，驅(qū)動條件也存在可靠性問題。由于這些問題的存在，大多數(shù)情況下，有刷電機(jī)對于機(jī)器人設(shè)計來說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。隨著轉(zhuǎn)子變向，它會切換周圍線圈電流的極性。(圖片來源：Microchip Webinar)

無刷電機(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，但有時候是具有低壓降的雙極型晶體管）來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，線圈上的磁場因此被切換。通過改變mos管通斷的頻率，電機(jī)速度從而可以被控制。另外，通過一個傳感器，電機(jī)控制器能獲取到機(jī)器人的位置，這樣對機(jī)器人的性能上能有更好的控制。

圖3：在無刷電機(jī)里，當(dāng)線圈磁場與轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵相互作用時，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。（圖片來源：Microchip AN885）