機器人電機選擇注意事項

     機 器 人 執 行 預 先 規 劃 好 的 具 體 任 務(wù) ， 比 如 組 裝 線(xiàn) 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性的工作，還能完成 在方向和動(dòng)作上需要靈活性的復雜功能（圖1）。隨著(zhù)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(jué)、計算能力以及網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)步也將 推動(dòng)機器人應用的普及。
這 些 高 性 能 機 器 人 的 實(shí) 現 得 益 于 以 下 幾 個(gè) 方 面 的 提 升：
? 復雜的傳感器；
? 實(shí)現實(shí)時(shí)決策與動(dòng)作的計算能力與算法；
? 快速、精確進(jìn)步機械動(dòng)力實(shí)現復雜任務(wù)的電機；

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

圖2   在無(wú)刷電機里，當線(xiàn)圈磁場(chǎng)與轉子上的永久磁鐵相互作用時(shí)，定子
繞組里的線(xiàn)圈進(jìn)行電流切換。圖中，空缺的轉子位于中間位置。（圖片 來(lái)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(lèi)型和型號時(shí)，設計師要考慮三個(gè)首要的因素設計師要考慮：
1. 電機的最小和最大轉速（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(xiàn)的 關(guān)系；
3. 電機操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）的精確性和 重復性；
當然，在選擇電機時(shí)還有許多其它如尺寸、重量還有 成本等重要因素要考慮。幾乎對于所有小型到中型等大小的 機器人驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)電機的選擇通常有刷直流電機、無(wú) 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(jiǎn)單、成 本也最低。由于電刷與轉子間的接觸，電機轉子的轉動(dòng)會(huì )切 換（換向）繞在轉子上的繞組磁場(chǎng)。電機的速度是施加電壓 的函數，因此驅動(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，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(wèn)題。由于這些問(wèn)題的存 在，大多數情況下，有刷直流電機成為機器人設計中最不具 有吸引力的選擇。
無(wú)刷直流電機（圖2）出現于19世紀60年代，它得益于兩方面的發(fā)展：一是出現了堅固、體積小、低成本 的 永 磁 鐵 ； 二 是 出 現 了 體積小效率高的電子開(kāi)關(guān)（通常為MOSFET）來(lái)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(lái)控制磁場(chǎng)的 切換，周?chē)潭ǖ那袚Q線(xiàn) 圈與旋轉芯上的磁鐵間的 相互作用取代了有刷電機 的機械換向，即利用了磁 場(chǎng) 與 電 場(chǎng) 之 間 的 相 互 作 用。通過(guò)改變MOFSET的 開(kāi)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(chǎng)定向控制，有時(shí)也稱(chēng)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(shí) 際的負載及負載變化相匹配，從而使電機性能更加強大與精 確。例如，電機控制算法/程序可以考慮到轉子慣性等相關(guān) 因素，并且使電機驅動(dòng)器適應并逐漸減少由于機械因素導致 的錯誤。這樣的算法使精確控制加速度和轉矩成為可能。
與有刷電機相比，無(wú)刷電機 (BLDC) 雖需更復雜的控制 電路但卻可以表現出更優(yōu)的性能。通常BLDC電機需要配備 一個(gè)位置反饋傳感器，比如霍爾效應傳感器、光學(xué)編碼器， 或者反電動(dòng)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(shí)用到開(kāi)關(guān)式電磁鐵，位于永磁環(huán)中央磁芯旁。步 進(jìn)電機不以常規方式“旋轉”；而是借助于不斷轉動(dòng)的軸， 逐步提升轉速，因此可以實(shí)現某一個(gè)角度的旋轉或持續旋 轉。步進(jìn)電機具有可重復的運動(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)至30°(12步/轉)，步 進(jìn)角或步數取決于電機所擁有的永磁鐵個(gè)數，但這個(gè)范圍之外的值也是可以實(shí)現的。
對于步進(jìn)電機，如果通電卻沒(méi)有步進(jìn)指向，它們會(huì )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 轉動(dòng)最直接的方法是有序通斷電磁鐵，但這可能會(huì )帶來(lái)抖動(dòng) 或振動(dòng)。無(wú)刷電機和步進(jìn)電機的應用領(lǐng)域有部分重疊。步進(jìn)電 機更適合需要精確的進(jìn)退動(dòng)作(如撿拾和安置)的應用領(lǐng)域， 而不是需要長(cháng)時(shí)間持續轉動(dòng)的領(lǐng)域，也適合于不需要電機提 供高轉矩或速度的小應用領(lǐng)域。此外，步進(jìn)電機對于能源效 率的要求也低于無(wú)刷直流電機。除了這里列出的電機以外，還有許多其它類(lèi)型可供選 擇。電機系列很多而且也很復雜，有很多的分支。例如，永 磁鐵同步電機 (PMSM)是無(wú)刷直流電機（相對于轉子）和交 流感應電機（相對于定子結構）的結合體。它具有高能效、 單位小體積相對密度高、扭矩重量比、快速響應時(shí)間，以及 相對容易控制等特點(diǎn)，但價(jià)格相對也比較高。

2 控制需要技巧
機器人運動(dòng)系統不僅涉及電機，它包括三個(gè)主要功能 模塊。
1. 實(shí)時(shí)控制器，表現為以下三種形式。
?  作通常用途、 運行運動(dòng)-控制固件的快速計算處理 器；
? 應用在控制方面、面向DSP的FPGA ；
? 帶硬連線(xiàn)和內置算法的專(zhuān)用控制器IC電路。
2. 一個(gè)或多個(gè)級聯(lián)的驅動(dòng)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(kāi)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(lái)之后再選擇驅動(dòng)器， MOSFET驅動(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(wèn)題
控制器型號選擇也很富有策略性，需要在選擇具體供 應商和型號之前作出決定。選擇是使用一個(gè)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(gè)專(zhuān) 用的控制IC電路（通常出自特定的電機控制供應商）時(shí)有許多需要權衡考慮的地方。設計師需要考慮因素包括：
? 你需要何種復雜度的控制算法，有多少I(mǎi)/O口？
? 誰(shuí)來(lái)提供控制算法及代碼：是IC供應商、第三方合作 伙伴，還是不相關(guān)的第三方開(kāi)發(fā)者？他們如何確認并驗證電 機及其應用的性能？
? 你需要多少用戶(hù)編程能力？即使是專(zhuān)用的、不需要編 程的控制器，也會(huì )要求用戶(hù)選擇算法類(lèi)型、閉環(huán)控制模式
（位置、速度或加速度），并且需要設置一些操作參數。
? 電機和應用有獨特的屬性要設置嗎？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(xiàn)、固化 算法的專(zhuān)用IC會(huì )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(kāi)發(fā)的電機經(jīng)驗？他們會(huì )不會(huì )提供曾經(jīng)搭建且驗證過(guò)的具 體參考設計，包括控制IC和MOSFET驅動(dòng)器間的接口電路？
?  是否有一些監管問(wèn)題需要注意？如授權的能效評估
（許多電機應用現在必須滿(mǎn)足各種“綠色”環(huán)保要求）。如 果是，供應商理解這些問(wèn)題嗎，他們的元器件和算法滿(mǎn)足這 些要求嗎？

4 開(kāi)發(fā)套件展示控制器與接口性能
對于許多工程師來(lái)說(shuō)，將所有的部分 - 包括帶有固化或 獨立算法的控制器、驅動(dòng)器、MOSFET等 - 融合到一起，是 一個(gè)需要多部門(mén)配合完成的任務(wù)，一個(gè)他們不想“從零開(kāi) 始”的任務(wù)。出于這個(gè)緣由，許多供應商提供包含了控制 器、示例算法、驅動(dòng)器和MOSFET的評估板甚至是完整的套 件。舉例來(lái)說(shuō)，Freescale MTRCKTSPNZVM128三相無(wú)傳感 器PMSM套件采用無(wú)傳感器電機控制技術(shù)驅動(dòng)三相BLDC或 PMSM電機。該套件設計用于通過(guò)借助微控制器集成ADC模 塊支持使用反電動(dòng)勢快速進(jìn)行原型設計和評估。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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，包括通過(guò)改進(jìn)電機控制和傳感所帶 來(lái)的精確執行將創(chuàng )造新的機遇，機器人的前景也非?？捎^(guān)。 傳感、控制和電機這些關(guān)鍵領(lǐng)域的革命將持續影響機器人技 術(shù)的變革。