機(jī)器人電機(jī)選擇注意事項(xiàng)

     機(jī) 器 人 執(zhí) 行 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(cāng)庫提貨/檢索，甚至是排除地雷等危險(xiǎn)任 務(wù)。如今的機(jī)器人不僅能夠處理高重復(fù)性的工作，還能完成 在方向和動(dòng)作上需要靈活性的復(fù)雜功能（圖1）。隨著技術(shù) 的進(jìn)步、速度與靈活性的提升、成本的降低，機(jī)器人將被逐 漸廣泛采用。低于人工的成本優(yōu)勢(shì)也讓我們看到了機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)的曙光。此外，機(jī)器視覺、計(jì)算能力以及網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步也將 推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的普及。
這 些 高 性 能 機(jī) 器 人 的 實(shí) 現(xiàn) 得 益 于 以 下 幾 個(gè) 方 面 的 提 升：
? 復(fù)雜的傳感器；
? 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策與動(dòng)作的計(jì)算能力與算法；
? 快速、精確進(jìn)步機(jī)械動(dòng)力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的電機(jī)；

圖1   如今機(jī)器人被大量運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，從小的貼片機(jī)到大的汽車組裝
領(lǐng)域，如在組裝線上抬、放置、安裝甚至焊接零件與部件。（圖片來源： IStockPhoto.com）

圖2   在無刷電機(jī)里，當(dāng)線圈磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵相互作用時(shí)，定子
繞組里的線圈進(jìn)行電流切換。圖中，空缺的轉(zhuǎn)子位于中間位置。（圖片 來源：Microchip AN885）

圖3   配備了所有元件的步進(jìn)電機(jī)框圖，其中MOSFET位于功率級(jí)。
在具體選擇電機(jī)類型和型號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)師要考慮三個(gè)首要的因素設(shè)計(jì)師要考慮：
1. 電機(jī)的最小和最大轉(zhuǎn)速（還有加速度）；
2. 電機(jī)可以提供的最大扭矩，以及扭矩和速度曲線的 關(guān)系；
3. 電機(jī)操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）的精確性和 重復(fù)性；
當(dāng)然，在選擇電機(jī)時(shí)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(duì)于所有小型到中型等大小的 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器來說，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇通常有刷直流電機(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)才是最好的選擇。）
有刷直流電機(jī)是最古老的直流電機(jī)技術(shù)，最簡(jiǎn)單、成 本也最低。由于電刷與轉(zhuǎn)子間的接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切 換（換向）繞在轉(zhuǎn)子上的繞組磁場(chǎng)。電機(jī)的速度是施加電壓 的函數(shù)，因此驅(qū)動(dòng)要求不高，但管理扭矩卻很難。由于電刷 磨損、需要清理維護(hù)，以及可能會(huì)成為電子噪聲源(電磁干 擾)等因素，工作時(shí)也存在可靠性問題。由于這些問題的存 在，大多數(shù)情況下，有刷直流電機(jī)成為機(jī)器人設(shè)計(jì)中最不具 有吸引力的選擇。
無刷直流電機(jī)（圖2）出現(xiàn)于19世紀(jì)60年代，它得益于兩方面的發(fā)展：一是出現(xiàn)了堅(jiān)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MOSFET）來切 換流向繞組的電流?！半?子換向”取代了有刷電機(jī) 的機(jī)械換向來控制磁場(chǎng)的 切換，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，即利用了磁 場(chǎng) 與 電 場(chǎng) 之 間 的 相 互 作 用。通過改變MOFSET的 開關(guān)頻率，電機(jī)速度從而 可以被控制。另外，相對(duì) 于有刷電機(jī)，其電機(jī)控制器 能 更 好 地 控 制 電 機(jī) 性能。
更妙的是，高級(jí)算法如PID（比例-積分-微分）校正算 法或者FOC（磁場(chǎng)定向控制，有時(shí)也稱之為矢量控制）控制 算法能被固化到電機(jī)控制器中。這使理想的電機(jī)操作與實(shí) 際的負(fù)載及負(fù)載變化相匹配，從而使電機(jī)性能更加強(qiáng)大與精 確。例如，電機(jī)控制算法/程序可以考慮到轉(zhuǎn)子慣性等相關(guān) 因素，并且使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器適應(yīng)并逐漸減少由于機(jī)械因素導(dǎo)致 的錯(cuò)誤。這樣的算法使精確控制加速度和轉(zhuǎn)矩成為可能。
與有刷電機(jī)相比，無刷電機(jī) (BLDC) 雖需更復(fù)雜的控制 電路但卻可以表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。通常BLDC電機(jī)需要配備 一個(gè)位置反饋傳感器，比如霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器， 或者反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)器件。
機(jī) 器 人 中 常 用 的 另 一 種 B L D C 電 機(jī) 是 步 進(jìn) 電 機(jī) （ 圖
3），此時(shí)用到開關(guān)式電磁鐵，位于永磁環(huán)中央磁芯旁。步 進(jìn)電機(jī)不以常規(guī)方式“旋轉(zhuǎn)”；而是借助于不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的軸， 逐步提升轉(zhuǎn)速，因此可以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)或持續(xù)旋 轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)控制；在需要時(shí)可以返回之 前的位置。
步進(jìn)角度范圍為1.8°(200步/轉(zhuǎn))至30°(12步/轉(zhuǎn))，步 進(jìn)角或步數(shù)取決于電機(jī)所擁有的永磁鐵個(gè)數(shù)，但這個(gè)范圍之外的值也是可以實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，如果通電卻沒有步進(jìn)指向，它們會(huì)維持在原位置；步進(jìn)電機(jī)能以低rpm提供高扭矩。讓步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)最直接的方法是有序通斷電磁鐵，但這可能會(huì)帶來抖動(dòng) 或振動(dòng)。無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有部分重疊。步進(jìn)電 機(jī)更適合需要精確的進(jìn)退動(dòng)作(如撿拾和安置)的應(yīng)用領(lǐng)域， 而不是需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的領(lǐng)域，也適合于不需要電機(jī)提 供高轉(zhuǎn)矩或速度的小應(yīng)用領(lǐng)域。此外，步進(jìn)電機(jī)對(duì)于能源效 率的要求也低于無刷直流電機(jī)。除了這里列出的電機(jī)以外，還有許多其它類型可供選 擇。電機(jī)系列很多而且也很復(fù)雜，有很多的分支。例如，永 磁鐵同步電機(jī) (PMSM)是無刷直流電機(jī)（相對(duì)于轉(zhuǎn)子）和交 流感應(yīng)電機(jī)（相對(duì)于定子結(jié)構(gòu)）的結(jié)合體。它具有高能效、 單位小體積相對(duì)密度高、扭矩重量比、快速響應(yīng)時(shí)間，以及 相對(duì)容易控制等特點(diǎn)，但價(jià)格相對(duì)也比較高。

2 控制需要技巧
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不僅涉及電機(jī)，它包括三個(gè)主要功能 模塊。
1. 實(shí)時(shí)控制器，表現(xiàn)為以下三種形式。
?  作通常用途、 運(yùn)行運(yùn)動(dòng)-控制固件的快速計(jì)算處理 器；
? 應(yīng)用在控制方面、面向DSP的FPGA ；
? 帶硬連線和內(nèi)置算法的專用控制器IC電路。
2. 一個(gè)或多個(gè)級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)層，以把低層信號(hào)從控制器 輸出中取出，然后輸出控制電子器件通斷所需要的高電壓/ 電流。
3. MOSFET（或者其它開關(guān)器件，如IGBT或者雙極型 晶體管），它控制流向電機(jī)繞組的電流。
具體MOSFET的選取主要取決于電機(jī)和繞組所需的電 流和電壓大小。MOSFET型號(hào)確定下來之后再選擇驅(qū)動(dòng)器， MOSFET驅(qū)動(dòng)器的選擇由MOSFET的額定值決定；有時(shí)可能 需要一系列升壓驅(qū)動(dòng)器，具體取決于MOSFET的尺寸。

3 選擇控制器時(shí)可能會(huì)遇到的問題
控制器型號(hào)選擇也很富有策略性，需要在選擇具體供 應(yīng)商和型號(hào)之前作出決定。選擇是使用一個(gè)僅作電機(jī)控制的 通用處理器，還是具有高計(jì)算能力的FPGA，抑或是一個(gè)專 用的控制IC電路（通常出自特定的電機(jī)控制供應(yīng)商）時(shí)有許多需要權(quán)衡考慮的地方。設(shè)計(jì)師需要考慮因素包括：
? 你需要何種復(fù)雜度的控制算法，有多少I/O口？
? 誰來提供控制算法及代碼：是IC供應(yīng)商、第三方合作 伙伴，還是不相關(guān)的第三方開發(fā)者？他們?nèi)绾未_認(rèn)并驗(yàn)證電 機(jī)及其應(yīng)用的性能？
? 你需要多少用戶編程能力？即使是專用的、不需要編 程的控制器，也會(huì)要求用戶選擇算法類型、閉環(huán)控制模式
（位置、速度或加速度），并且需要設(shè)置一些操作參數(shù)。
? 電機(jī)和應(yīng)用有獨(dú)特的屬性要設(shè)置嗎？如果答案是肯定 的，那選擇可編程IC會(huì)更好。相反，如果不需要修改算法， 這種情況下，相比完全可編程的IC，選擇帶有硬連線、固化 算法的專用IC會(huì)比較好。
? 控制器需要支持多種電機(jī)型嗎？即便是同一種，控制 器是只需支持該型號(hào)中某種尺寸的電機(jī)，還是支持一系列尺 寸范圍？
? 供應(yīng)商提供何種程度的技術(shù)支持？他們有哪些實(shí)際動(dòng) 手開發(fā)的電機(jī)經(jīng)驗(yàn)？他們會(huì)不會(huì)提供曾經(jīng)搭建且驗(yàn)證過的具 體參考設(shè)計(jì)，包括控制IC和MOSFET驅(qū)動(dòng)器間的接口電路？
?  是否有一些監(jiān)管問題需要注意？如授權(quán)的能效評(píng)估
（許多電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在必須滿足各種“綠色”環(huán)保要求）。如 果是，供應(yīng)商理解這些問題嗎，他們的元器件和算法滿足這 些要求嗎？

4 開發(fā)套件展示控制器與接口性能
對(duì)于許多工程師來說，將所有的部分 - 包括帶有固化或 獨(dú)立算法的控制器、驅(qū)動(dòng)器、MOSFET等 - 融合到一起，是 一個(gè)需要多部門配合完成的任務(wù)，一個(gè)他們不想“從零開 始”的任務(wù)。出于這個(gè)緣由，許多供應(yīng)商提供包含了控制 器、示例算法、驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的評(píng)估板甚至是完整的套 件。舉例來說，F(xiàn)reescale MTRCKTSPNZVM128三相無傳感 器PMSM套件采用無傳感器電機(jī)控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)三相BLDC或 PMSM電機(jī)。該套件設(shè)計(jì)用于通過借助微控制器集成ADC模 塊支持使用反電動(dòng)勢(shì)快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。此外，此套 件（具有MC9S12ZVML12 微控制器）還可配置為基于傳感 器評(píng)估使用霍爾傳感器或解析器的操作。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，包括通過改進(jìn)電機(jī)控制和傳感所帶 來的精確執(zhí)行將創(chuàng)造新的機(jī)遇，機(jī)器人的前景也非?？捎^。 傳感、控制和電機(jī)這些關(guān)鍵領(lǐng)域的革命將持續(xù)影響機(jī)器人技 術(shù)的變革。