机器人电机选择注意事项

     机 器 人 执 行 预 先 规 划 好 的 具 体 任 务 ， 比 如 组 装 线 工作、手术援助、仓库提货/检索，甚至是排除地雷等危险任 务。如今的机器人不仅能够处理高重复性的工作，还能完成 在方向和动作上需要灵活性的复杂功能（图1）。随着技术 的进步、速度与灵活性的提升、成本的降低，机器人将被逐 渐广泛采用。低于人工的成本优势也让我们看到了机器人产 业的曙光。此外，机器视觉、计算能力以及网络的进步也将 推动机器人应用的普及。
这 些 高 性 能 机 器 人 的 实 现 得 益 于 以 下 几 个 方 面 的 提 升：
• 复杂的传感器；
• 实现实时决策与动作的计算能力与算法；
• 快速、精确进步机械动力实现复杂任务的电机；

图1   如今机器人被大量运用在各个领域，从小的贴片机到大的汽车组装
领域，如在组装线上抬、放置、安装甚至焊接零件与部件。（图片来源： IStockPhoto.com）

图2   在无刷电机里，当线圈磁场与转子上的永久磁铁相互作用时，定子
绕组里的线圈进行电流切换。图中，空缺的转子位于中间位置。（图片 来源：Microchip AN885）

图3   配备了所有元件的步进电机框图，其中MOSFET位于功率级。
在具体选择电机类型和型号时，设计师要考虑三个首要的因素设计师要考虑：
1. 电机的最小和最大转速（还有加速度）；
2. 电机可以提供的最大扭矩，以及扭矩和速度曲线的 关系；
3. 电机操作（不用传感器和闭环控制时）的精确性和 重复性；
当然，在选择电机时还有许多其它如尺寸、重量还有 成本等重要因素要考虑。几乎对于所有小型到中型等大小的 机器人驱动器来说，驱动电机的选择通常有刷直流电机、无 刷直流电机(BLDC)和步进电机。（然而，某些情形下液压 与气压机才是最好的选择。）
有刷直流电机是最古老的直流电机技术，最简单、成 本也最低。由于电刷与转子间的接触，电机转子的转动会切 换（换向）绕在转子上的绕组磁场。电机的速度是施加电压 的函数，因此驱动要求不高，但管理扭矩却很难。由于电刷 磨损、需要清理维护，以及可能会成为电子噪声源(电磁干 扰)等因素，工作时也存在可靠性问题。由于这些问题的存 在，大多数情况下，有刷直流电机成为机器人设计中最不具 有吸引力的选择。
无刷直流电机（图2）出现于19世纪60年代，它得益于两方面的发展：一是出现了坚固、体积小、低成本 的 永 磁 铁 ； 二 是 出 现 了 体积小效率高的电子开关（通常为MOSFET）来切 换流向绕组的电流。“电 子换向”取代了有刷电机 的机械换向来控制磁场的 切换，周围固定的切换线 圈与旋转芯上的磁铁间的 相互作用取代了有刷电机 的机械换向，即利用了磁 场 与 电 场 之 间 的 相 互 作 用。通过改变MOFSET的 开关频率，电机速度从而 可以被控制。另外，相对 于有刷电机，其电机控制器 能 更 好 地 控 制 电 机 性能。
更妙的是，高级算法如PID（比例-积分-微分）校正算 法或者FOC（磁场定向控制，有时也称之为矢量控制）控制 算法能被固化到电机控制器中。这使理想的电机操作与实 际的负载及负载变化相匹配，从而使电机性能更加强大与精 确。例如，电机控制算法/程序可以考虑到转子惯性等相关 因素，并且使电机驱动器适应并逐渐减少由于机械因素导致 的错误。这样的算法使精确控制加速度和转矩成为可能。
与有刷电机相比，无刷电机 (BLDC) 虽需更复杂的控制 电路但却可以表现出更优的性能。通常BLDC电机需要配备 一个位置反馈传感器，比如霍尔效应传感器、光学编码器， 或者反电动势检测器件。
机 器 人 中 常 用 的 另 一 种 B L D C 电 机 是 步 进 电 机 （ 图
3），此时用到开关式电磁铁，位于永磁环中央磁芯旁。步 进电机不以常规方式“旋转”；而是借助于不断转动的轴， 逐步提升转速，因此可以实现某一个角度的旋转或持续旋 转。步进电机具有可重复的运动控制；在需要时可以返回之 前的位置。
步进角度范围为1.8°(200步/转)至30°(12步/转)，步 进角或步数取决于电机所拥有的永磁铁个数，但这个范围之外的值也是可以实现的。
对于步进电机，如果通电却没有步进指向，它们会维持在原位置；步进电机能以低rpm提供高扭矩。让步进电机 转动最直接的方法是有序通断电磁铁，但这可能会带来抖动 或振动。无刷电机和步进电机的应用领域有部分重叠。步进电 机更适合需要精确的进退动作(如捡拾和安置)的应用领域， 而不是需要长时间持续转动的领域，也适合于不需要电机提 供高转矩或速度的小应用领域。此外，步进电机对于能源效 率的要求也低于无刷直流电机。除了这里列出的电机以外，还有许多其它类型可供选 择。电机系列很多而且也很复杂，有很多的分支。例如，永 磁铁同步电机 (PMSM)是无刷直流电机（相对于转子）和交 流感应电机（相对于定子结构）的结合体。它具有高能效、 单位小体积相对密度高、扭矩重量比、快速响应时间，以及 相对容易控制等特点，但价格相对也比较高。

2 控制需要技巧
机器人运动系统不仅涉及电机，它包括三个主要功能 模块。
1. 实时控制器，表现为以下三种形式。
•  作通常用途、 运行运动-控制固件的快速计算处理 器；
• 应用在控制方面、面向DSP的FPGA ；
• 带硬连线和内置算法的专用控制器IC电路。
2. 一个或多个级联的驱动层，以把低层信号从控制器 输出中取出，然后输出控制电子器件通断所需要的高电压/ 电流。
3. MOSFET（或者其它开关器件，如IGBT或者双极型 晶体管），它控制流向电机绕组的电流。
具体MOSFET的选取主要取决于电机和绕组所需的电 流和电压大小。MOSFET型号确定下来之后再选择驱动器， MOSFET驱动器的选择由MOSFET的额定值决定；有时可能 需要一系列升压驱动器，具体取决于MOSFET的尺寸。

3 选择控制器时可能会遇到的问题
控制器型号选择也很富有策略性，需要在选择具体供 应商和型号之前作出决定。选择是使用一个仅作电机控制的 通用处理器，还是具有高计算能力的FPGA，抑或是一个专 用的控制IC电路（通常出自特定的电机控制供应商）时有许多需要权衡考虑的地方。设计师需要考虑因素包括：
• 你需要何种复杂度的控制算法，有多少I/O口？
• 谁来提供控制算法及代码：是IC供应商、第三方合作 伙伴，还是不相关的第三方开发者？他们如何确认并验证电 机及其应用的性能？
• 你需要多少用户编程能力？即使是专用的、不需要编 程的控制器，也会要求用户选择算法类型、闭环控制模式
（位置、速度或加速度），并且需要设置一些操作参数。
• 电机和应用有独特的属性要设置吗？如果答案是肯定 的，那选择可编程IC会更好。相反，如果不需要修改算法， 这种情况下，相比完全可编程的IC，选择带有硬连线、固化 算法的专用IC会比较好。
• 控制器需要支持多种电机型吗？即便是同一种，控制 器是只需支持该型号中某种尺寸的电机，还是支持一系列尺 寸范围？
• 供应商提供何种程度的技术支持？他们有哪些实际动 手开发的电机经验？他们会不会提供曾经搭建且验证过的具 体参考设计，包括控制IC和MOSFET驱动器间的接口电路？
•  是否有一些监管问题需要注意？如授权的能效评估
（许多电机应用现在必须满足各种“绿色”环保要求）。如 果是，供应商理解这些问题吗，他们的元器件和算法满足这 些要求吗？

4 开发套件展示控制器与接口性能
对于许多工程师来说，将所有的部分 - 包括带有固化或 独立算法的控制器、驱动器、MOSFET等 - 融合到一起，是 一个需要多部门配合完成的任务，一个他们不想“从零开 始”的任务。出于这个缘由，许多供应商提供包含了控制 器、示例算法、驱动器和MOSFET的评估板甚至是完整的套 件。举例来说，Freescale MTRCKTSPNZVM128三相无传感 器PMSM套件采用无传感器电机控制技术驱动三相BLDC或 PMSM电机。该套件设计用于通过借助微控制器集成ADC模 块支持使用反电动势快速进行原型设计和评估。此外，此套 件（具有MC9S12ZVML12 微控制器）还可配置为基于传感 器评估使用霍尔传感器或解析器的操作。
随着技术的进步，包括通过改进电机控制和传感所带 来的精确执行将创造新的机遇，机器人的前景也非常可观。 传感、控制和电机这些关键领域的革命将持续影响机器人技 术的变革。