機器人電機選擇注意事項

     機 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、倉庫提貨/檢索，甚至是排除地雷等危險任 務(wù)。如今的機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，機器人將被逐 漸廣泛采用。低于人工的成本優(yōu)勢也讓我們看到了機器人產(chǎn) 業(yè)的曙光。此外，機器視覺、計算能力以及網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步也將 推動機器人應(yīng)用的普及。
這 些 高 性 能 機 器 人 的 實 現(xiàn) 得 益 于 以 下 幾 個 方 面 的 提 升：
? 復(fù)雜的傳感器；
? 實現(xiàn)實時決策與動作的計算能力與算法；
? 快速、精確進(jìn)步機械動力實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的電機；

圖1   如今機器人被大量運用在各個領(lǐng)域，從小的貼片機到大的汽車組裝
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)電機框圖，其中MOSFET位于功率級。
在具體選擇電機類型和型號時，設(shè)計師要考慮三個首要的因素設(shè)計師要考慮：
1. 電機的最小和最大轉(zhuǎn)速（還有加速度）；
2. 電機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。幾乎對于所有小型到中型等大小的 機器人驅(qū)動器來說，驅(qū)動電機的選擇通常有刷直流電機、無 刷直流電機(BLDC)和步進(jìn)電機。（然而，某些情形下液壓 與氣壓機才是最好的選擇。）
有刷直流電機是最古老的直流電機技術(shù)，最簡單、成 本也最低。由于電刷與轉(zhuǎn)子間的接觸，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動會切 換（換向）繞在轉(zhuǎn)子上的繞組磁場。電機的速度是施加電壓 的函數(shù)，因此驅(qū)動要求不高，但管理扭矩卻很難。由于電刷 磨損、需要清理維護(hù)，以及可能會成為電子噪聲源(電磁干 擾)等因素，工作時也存在可靠性問題。由于這些問題的存 在，大多數(shù)情況下，有刷直流電機成為機器人設(shè)計中最不具 有吸引力的選擇。
無刷直流電機（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 的機械換向來控制磁場的 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 的機械換向，即利用了磁 場 與 電 場 之 間 的 相 互 作 用。通過改變MOFSET的 開關(guān)頻率，電機速度從而 可以被控制。另外，相對 于有刷電機，其電機控制器 能 更 好 地 控 制 電 機 性能。
更妙的是，高級算法如PID（比例-積分-微分）校正算 法或者FOC（磁場定向控制，有時也稱之為矢量控制）控制 算法能被固化到電機控制器中。這使理想的電機操作與實 際的負(fù)載及負(fù)載變化相匹配，從而使電機性能更加強大與精 確。例如，電機控制算法/程序可以考慮到轉(zhuǎn)子慣性等相關(guān) 因素，并且使電機驅(qū)動器適應(yīng)并逐漸減少由于機械因素導(dǎo)致 的錯誤。這樣的算法使精確控制加速度和轉(zhuǎn)矩成為可能。
與有刷電機相比，無刷電機 (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電機需要配備 一個位置反饋傳感器，比如霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器， 或者反電動勢檢測器件。
機 器 人 中 常 用 的 另 一 種 B L D C 電 機 是 步 進(jìn) 電 機 （ 圖
3），此時用到開關(guān)式電磁鐵，位于永磁環(huán)中央磁芯旁。步 進(jìn)電機不以常規(guī)方式“旋轉(zhuǎn)”；而是借助于不斷轉(zhuǎn)動的軸， 逐步提升轉(zhuǎn)速，因此可以實現(xiàn)某一個角度的旋轉(zhuǎn)或持續(xù)旋 轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機具有可重復(fù)的運動控制；在需要時可以返回之 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)取決于電機所擁有的永磁鐵個數(shù)，但這個范圍之外的值也是可以實現(xiàn)的。
對于步進(jìn)電機，如果通電卻沒有步進(jìn)指向，它們會維持在原位置；步進(jìn)電機能以低rpm提供高扭矩。讓步進(jìn)電機 轉(zhuǎn)動最直接的方法是有序通斷電磁鐵，但這可能會帶來抖動 或振動。無刷電機和步進(jìn)電機的應(yīng)用領(lǐng)域有部分重疊。步進(jìn)電 機更適合需要精確的進(jìn)退動作(如撿拾和安置)的應(yīng)用領(lǐng)域， 而不是需要長時間持續(xù)轉(zhuǎn)動的領(lǐng)域，也適合于不需要電機提 供高轉(zhuǎn)矩或速度的小應(yīng)用領(lǐng)域。此外，步進(jìn)電機對于能源效 率的要求也低于無刷直流電機。除了這里列出的電機以外，還有許多其它類型可供選 擇。電機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 (PMSM)是無刷直流電機（相對于轉(zhuǎn)子）和交 流感應(yīng)電機（相對于定子結(jié)構(gòu)）的結(jié)合體。它具有高能效、 單位小體積相對密度高、扭矩重量比、快速響應(yīng)時間，以及 相對容易控制等特點，但價格相對也比較高。

2 控制需要技巧
機器人運動系統(tǒng)不僅涉及電機，它包括三個主要功能 模塊。
1. 實時控制器，表現(xiàn)為以下三種形式。
?  作通常用途、 運行運動-控制固件的快速計算處理 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. 一個或多個級聯(lián)的驅(qū)動層，以把低層信號從控制器 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），它控制流向電機繞組的電流。
具體MOSFET的選取主要取決于電機和繞組所需的電 流和電壓大小。MOSFET型號確定下來之后再選擇驅(qū)動器， MOSFET驅(qū)動器的選擇由MOSFET的額定值決定；有時可能 需要一系列升壓驅(qū)動器，具體取決于MOSFET的尺寸。

3 選擇控制器時可能會遇到的問題
控制器型號選擇也很富有策略性，需要在選擇具體供 應(yīng)商和型號之前作出決定。選擇是使用一個僅作電機控制的 通用處理器，還是具有高計算能力的FPGA，抑或是一個專 用的控制IC電路（通常出自特定的電機控制供應(yīng)商）時有許多需要權(quán)衡考慮的地方。設(shè)計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)并驗證電 機及其應(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)。
? 電機和應(yīng)用有獨特的屬性要設(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會比較好。
? 控制器需要支持多種電機型嗎？即便是同一種，控制 器是只需支持該型號中某種尺寸的電機，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？他們有哪些實際動 手開發(fā)的電機經(jīng)驗？他們會不會提供曾經(jīng)搭建且驗證過的具 體參考設(shè)計，包括控制IC和MOSFET驅(qū)動器間的接口電路？
?  是否有一些監(jiān)管問題需要注意？如授權(quán)的能效評估
（許多電機應(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
對于許多工程師來說，將所有的部分 - 包括帶有固化或 獨立算法的控制器、驅(qū)動器、MOSFET等 - 融合到一起，是 一個需要多部門配合完成的任務(wù)，一個他們不想“從零開 始”的任務(wù)。出于這個緣由，許多供應(yīng)商提供包含了控制 器、示例算法、驅(qū)動器和MOSFET的評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控制技術(shù)驅(qū)動三相BLDC或 PMSM電機。該套件設(shè)計用于通過借助微控制器集成ADC模 塊支持使用反電動勢快速進(jìn)行原型設(shè)計和評估。此外，此套 件（具有MC9S12ZVML12 微控制器）還可配置為基于傳感 器評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)電機控制和傳感所帶 來的精確執(zhí)行將創(chuàng)造新的機遇，機器人的前景也非常可觀。 傳感、控制和電機這些關(guān)鍵領(lǐng)域的革命將持續(xù)影響機器人技 術(shù)的變革。