做好機(jī)器人得先學(xué)會(huì)選電機(jī)

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。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：

1.復(fù)雜的傳感器；

2.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策與動(dòng)作的計(jì)算能力與算法；

3.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)；

在具體選擇電機(jī)類型和型號時(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。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)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?！半娮訐Q向”取代了有刷電機(jī)的機(jī)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(jī)的機(jī)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(jī)速度從而可以被控制。另外，相對于有刷電機(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(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)勢檢測器件。

機(jī)器人中常用的另一種BLDC電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)，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)（相對于轉(zhuǎn)子）和交流感應(yīng)電機(jī)（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(shí)間，以及相對容易控制等特點(diǎn)，但價(jià)格相對也比較高。

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)級聯(lián)的驅(qū)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。

選擇控制器時(shí)可能會(huì)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(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？

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(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的評估板甚至是完整的套件。舉例來說，F(xiàn)reescaleMTRCKTSPNZVM128三相無傳感器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)勢快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)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(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)器人的前景也非常可觀。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。