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機器人應該如何選擇電機？需要注意什么
發布時間：2021-05-12 06:52:57
機器人執行預先規劃的具體任務，如裝配線工作、手術援助、倉庫提貨/搜索，甚至排除地雷等危險任務。現在的機器人不僅能處理高重復性的工作，還能完成方向和動作需要靈活性的復雜功能。隨著技術的進步、速度和靈活性的提高、成本的降低，機器人被廣泛采用。低于人工成本的優勢也顯示了機器人產業的希望。此外，機器人的視覺、計算能力和網絡進步也將推動機器人應用的普及。
這些高性能機器人的實現取決于以下方面的提高
1.復雜的傳感器；
2.實現實時決策和動作的計算能力和算法
3.快速準確提高機械動力實現復雜任務的馬達
具體選擇馬達類型和型號時，設計師必須考慮三個主要因素
1.馬達的最小和最大轉速(還有加速度)
2.馬達能提供的最大扭矩和扭矩與速度曲線的關系
3.電機操作(無傳感器和閉環控制)的準確性和重復性
當然，在選擇馬達時，還有許多重要因素，如尺寸、重量和成本。對于幾乎所有小型到中型的機器人驅動器來說，驅動電機的選擇通常包括刷直流電機、無刷直流電機和步進電機。
有刷直流電機是最古老的直流電機技術，最簡單，成本也最低。由于電刷與轉子之間的接觸，電機轉子的旋轉將切換(轉向)繞過轉子的繞組磁場。電機的速度是施加電壓的功能，因此驅動要求不高，但管理扭矩困難。由于刷子磨損、需要清掃維護、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，刷直流電機往往成為機器人設計中最不具吸引力的選擇。
無刷直流電機出現在19世紀60年代，由于兩方面的發展，一是出現了堅固、體積小、成本低的永久磁鐵，二是出現了體積小、效率高的電子開關(通常為MOSFET)，切換流向繞組的電流。電子方向取代了有刷電機的機械方向控制磁場的切換，周圍固定的切換線圈和旋轉芯的磁鐵之間的相互作用取代了有刷電機的機械方向，即利用磁場和電場之間的相互作用。通過改變MOFSET的開關頻率，可以控制馬達的速度。此外，與有刷電機相比，其電機控制器可以更好地控制電機的性能。
更精彩的是，高級算法如PID(比例-點-微分)校正算法或FOC(磁場定向控制，有時也稱為矢量控制)控制算法可固化在電機控制器中。這使理想的馬達操作符合實際負荷和負荷變化，使馬達的性能更加強大和正確。例如，電機控制算法/程序可以考慮轉子慣性等相關因素，使電機驅動器適應，逐漸減少機械因素造成的錯誤。這種算法可以正確控制加速度和扭矩。
與有刷電機相比，無刷電機(BLDC)需要更復雜的控制電路，但可以表現出更好的性能。通常，BLDC馬達需要設置霍爾效應傳感器、光學編碼器、反電動勢檢測器等位置反饋傳感器。
機器人常用的另一種BLDC馬達是步進馬達，此時使用開關式電磁鐵，位于永磁環中央磁鐵旁邊。步進電機不是通常的旋轉，而是通過不斷旋轉的軸，逐漸提高旋轉速度，可以實現某個角度的旋轉或持續旋轉。步進電機具有可重復的運動控制，必要時可返回以前的位置。
步進角度范圍為1.8°(200步/旋轉)至30°(12步/旋轉)，步進角度和步數取決于電機持有的永久磁鐵的數量，但該范圍以外的值也可以實現。
步進電機在通電但沒有步進方向的情況下，可以維持在原來的位置的步進電機在低rpm中提供高扭矩。讓步進電機旋轉最直接的方法是有序地切斷電磁鐵，但這可能會帶來振動和振動。無刷電機和步進電機的應用領域有部分重疊。步進電機更適用于需要精確的進退動作(如拾取和配置)的應用領域，而不是需要長時間持續旋轉的領域，也適用于不需要電機提供高扭矩和速度的小應用領域。另外，步進電機對能源效率的要求也低于無刷直流電機。除了這里列出的馬達，還有很多其他類型。馬達系列多而復雜，分支多。例如，永磁同步電機(PMSM)是無刷直流電機(相對于轉子)和交流感應電機(相對于定子結構)的結合體。它具能效高、單位小體積相對密度高、扭矩重量比、響應時間快、控制方便等特點，但價格相對較高。
機器人運動系統不僅包括電機，還包括三個主要功能模塊。
1.實時控制器表現為以下三種形式。
作為普通用途、運行運動-控制固件的快速計算處理器
應用于控制、DSP的FPGA
專用控制器和內置算法的專用控制器IC電路。
2.一個或多個級別連接的驅動層，將低層信號從控制器輸出中取出，然后輸出控制電子設備切斷所需的高電壓/電流。
3.MOSFET(或IGBT或雙極晶體管等其他開關設備)控制電機繞組的電流。
具體MOSFET的選擇主要取決于電機和繞組所需的電流和電壓大小。MOSFET型號確定后選擇驅動器，MOSFET驅動器的選擇可能需要由MOSFET的額定值決定的一系列升壓驅動器，具體取決于MOSFET的尺寸。
選擇控制器時可能遇到的問題。
控制器型號的選擇也有戰略性，需要在選擇具體的供應商和型號之前決定。選擇只使用電機控制的通用處理器、具有高計算能力的FPGA、專用控制IC電路(通常來自特定的電機控制供應商)時需要考慮的地方很多。設計師需要考慮以下因素:
你需要什么復雜的控制算法，I/O口是多少？
誰提供控制算法和代碼:IC供應商、第三方合作伙伴還是無關第三方開發人員？他們如何確認和驗證馬達及其應用性能？
你需要多少用戶編程能力？即使是專用且不需要編程的控制器，也要求用戶選擇算法類型、閉環控制模式。
(位置、速度或加速度)，需要設置操作參數。
馬達和應用有獨特的屬性嗎？如果答案是肯定的，選擇可編程集成電路會更好。相反，如果不需要修改算法，最好選擇具有硬連接、固化算法的專用IC，而不是完全可編程的IC。
控制器需要支持多種電機型號嗎？即使是同一種類型，控制器只支持該型號中的某種尺寸的馬達還是一系列尺寸范圍？
供應商提供多少技術支持？他們有什么實際開發的馬達經驗？他們是否提供控制IC和MOSFET驅動器之間的接口電路的具體參考設計
是否有監督問題需要注意例如，授權的能效評估。
（很多電機APP現在都要滿足各種綠色環保要求）。如果是，供應商是否了解這些問題，他們的零部件和算法是否滿足這些要求？
開發套件展示控制器和接口性能。
對于很多工程師來說，將所有部分——包括具有固化或獨立算法的控制器、驅動器、MOSFET等——融合在一起，是需要多部門協助完成的任務，不想從零開始的任務。因此，許多供應商提供包括控制器、例子算法、驅動器和MOSFET的評價板甚至完整的套件。例如，FreescaleMTRCKTSPNZVM128三相無傳感器PMSM套件采用無傳感器電機控制技術驅動三相BLDC或PMSM電機。該套件設計通過微控制器集成ADC模塊支持使用反電動勢迅速進行原型設計和評價。此外，該套件(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分析器的操作。
隨著技術的進步，改善電機控制和傳感帶來的正確執行將創造新的機遇、機器人。
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