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对机器人选择电机的几点思考

机器人执行特定的,定义明确的任务,如装配线工作,手术协助,仓库交付/检索,甚至清理地雷等任务。今天的机器人既可以处理高度重复的任务,又可以处理需要灵活定位和操作的复杂功能(图1)。随着技术的提高,速度和灵活性提高,成本下降,采用率将提高。我们正在接近行业的拐点,即使用机器人的成本效益好于劳动力。此外,机器视觉,计算能力和网络方面的进步使机器人能够用于更广泛的应用。
为机器人选择电机的考虑因素图1
图1: 现在,机器人常用于从小型贴片机到大型汽车装配线的应用,在这些应用中,机器人可以提升,放置,安装甚至焊接零件和部件。(来源:IStockPhoto.com)
技术进步使得现代高性能机器成为可能,原因在于:
  • 先进的传感器
  • 计算实现实时决策和行动的能力和算法
  • 具有快速,准确和机械能力的电机可以完成日益复杂的任务。
各自在机器人设计中起着至关重要的作用,因为它们之间的技术进步和协同作用迅速建立起来。
传统上,电动机的管理一直是电子工程师面临的挑战,因为许多问题与熟悉的电子技术不同。幸运的是,技术使这些问题更容易处理,同时也带来令人印象深刻的性能。例如,德州仪器(TI)的DRV8816双路半桥电机驱动器集成了内部保护功能和低功耗睡眠模式,可实现非常低的静态电流消耗。高度集成的控制器和驱动器指向了电子和电机所达到的灵活性和集成水平。

选择一个电机

设计人员在选择特定的电机类型和型号时有三个主要参数:
  1. 最小和最大电机速度(和相关的加速度);
  2. 电机可以提供的最大转矩以及转矩 - 速度曲线;
  3. 电机运行的精确性和可重复性(不使用传感器和闭环控制)。
当然,还有许多其他的性能因素,包括大小,重量和成本因素。对于几乎所有的中小型机器人执行机构,驱动执行机构的最常见选择是有刷直流电,无刷直流电(BLDC)和步进电机。(但是,在某些情况下,气动和液压是最好的选择。)
有刷电机是最古老的直流电机技术,是最简单和成本最低的选择。电机转子的旋转通过与转子接触的载流电刷来切换(换向)绕组的转子绕组的场。电机转速是施加的电压的函数,所以驱动要求是最小的,但是管理转矩是困难的。由于刷子磨损,它们也具有可靠性问题,可能需要维护以进行清洁,并且是电噪声(EMI)的来源。由于这些原因,有刷直流电机在大多数情况下是机器人最不具吸引力的选择。
无刷直流电机(图2)出现在20世纪60年代,由于坚固,小型,低成本的永磁体以及小型,高效的电子开关(通常为MOSFET)切换流向绕组的电流,所以是有刷电机的改进。“电子换向”取代了实际接触电机的电刷,从而开启和关闭磁场。因此,利用了磁场与电能流动之间的关系。电机速度通过改变MOSFET开关的速度来控制。另外,电机控制器比电机有更严格的电机性能控制。
选择机器人电机时的注意事项图2
图2:  在无刷电机中,线圈电流在定子绕组中电子切换,而其磁场与转子上的永磁体相互作用。在这个图像中,缺少的转子属于中心。(来源:Microchip AN885)
但是,这些电机可以实现更好的控制,因为PID(比例积分微分)或FOC(磁场定向控制,有时也称为矢量控制)等高级算法可以嵌入到电机控制器中。这使所需的电机操作符合负载和负载变化的实际情况,从而提供更强大,更准确的性能。例如,电机控制算法/程序可以考虑转子的惯性,并相应地调整电机驱动,从而减少由于机械问题引起的误差。使用定制算法可以更精确地控制加速度和扭矩。
与有刷电机相比,无刷电机(BLDC)需要更复杂的控制电子设备,但性能可能会更好。BLDC电机通常需要通过霍尔效应传感器,光学编码器或通过感应反电动势的位置反馈。
在机器人中经常使用的一种特定类型的BLDC电机是步进电机(图3),该电机使用切换的电磁体布置在中心磁芯周围,磁芯排列有永磁体环。在正常意义上,步骤不“旋转”; 取而代之的是,轴被引导以有限的,逐步的增量(步进)移动,因此可以被指引转动一个完整的旋转的一部分,并连续地旋转。步进器具有非常可重复的运动控制; 步进器可以返回到原来的位置,如果指示的话。
“阶梯”的角度通常只有1.8⁰,在360°(一转)时可以产生大约200步的移动。移动360°的步进角度为30°,每转12步(12 X 30 = 360)。步进角度或每转的步数取决于电机所具有的永磁体的数量,但是更高和更低的值是可用的。
选择机器人电机的注意事项图3
图3: 带有所有组件的步进电机的框图。MOSFETS位于功率级。资料来源:http : //www.mouser.com/applications/motor-control-stepper/
使用步进电机时,如果电源“接通”,但没有步进指令,则保持其位置。步进电机可以在低转速时提供高转矩。导致步进器移动的最直接的方法是依次打开或关闭电磁铁,但这会引起震颤或振动。
BLDC和步进电机之间存在应用重叠。步进器更适合于需要精确来回运动的应用,如拾取和放置,而不是长时间连续旋转,以及对于不需要电机提供高转矩或速度的小型应用。而且,步进电机不像无刷直流电机那样节能。
还有很多其他的电机选项。马达家族谱系树长而复杂,有许多兄弟姐妹和堂兄弟。例如,永磁同步电机(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)的组合。它具有功率高,功率相对较小,封装小,扭矩/重量比高,响应时间快,控制相当容易,但成本高的特点。

控制需要精良

机器人运动系统不仅仅是一个电机,它由三大功能块组成:
  1. 实时控制器可以通过以下三种方式之一来实现:
    • 运行速度快的通用运算控制固件
    • 面向DSP的面向控制应用程序的FPGA
    • 采用硬连线嵌入式算法的专用控制器IC。
  2. 一个或多个串联的驱动器级从控制器输出端接收低电平信号,并将它们连接到电子开关的更高电压/电流需求。
  3. MOSFET(或其他开关元件,例如IGBT或双极晶体管)实际上控制流向电机绕组的电流。
为电机选择MOSEFT需要了解电机及其绕组的电流和电压要求。然后,要打开和关闭的MOSFET 需要一个驱动器,由MOSFET的额定值决定。事实上,根据MOSFET的尺寸,可能需要一系列升压驱动器。

在选择控制器时需要提出的问题

为所有这些选择使用的控制类型是在选择特定供应商或型号之前应该作出的战略选择。这是因为在决定使用非常适合于电机控制的通用处理器,易于计算的FPGA或专用控制IC(后者通常来自专门的运动控制供应商)。设计者必须考虑的一些要点包括:
  • 你需要什么级别的控制算法复杂性和复杂性,以及多少I / O?
  • 谁提供控制算法和代码:IC供应商,与他们合作的第三方,还是不相关的第三方?他们如何验证和测试您的电机和应用程序?
  • 你需要多少用户可编程性?即使是专用的,不可编程的控制器也允许用户选择算法类型,闭环控制模式(位置,速度,加速度)和设置操作参数。
  • 电机和应用程序是否有独特的属性?如果是这样,一个可编程IC可能会更好。如果有不断的请求修改算法呢?在这种情况下,采用硬连线嵌入式算法的专用IC可能比完全可编程的IC更好。
  • 控制器是否必须支持多种类型的电机?即使只有一种类型,是一种这种类型的电机尺寸还是一系列尺寸?
  • 供应商提供哪些技术支持?他们真正的实际动手体验是什么?他们是否提供了已经构建和测试的详细参考设计,包括控制IC和MOSFET驱动器之间的接口?
  • 是否有监管问题需要注意,如要求的效率(许多电机应用现在必须符合各种“绿色”标准)?如果是这样,供应商是否理解和满足他们的组件和算法?

开发套件显示控制器和接口功能

对于许多工程师来说,把所有部件放在一起 - 带有嵌入或分离算法的控制器,驱动器和MOSFET--是一个多学科的任务,而且他们不希望“重新发明轮子”。因此,许多供应商提供评估板或完整的套件与控制器,样本算法,驱动器和MOSFET。恩智浦MTRCKTSPNZVM128三相无传感器PMSM套件就是一个例子,它使用无传感器电机控制技术来驱动三相BLDC或PMSM电机。这个相当复杂的套件旨在通过使用MCU的集成ADC模块,通过反电动势感测进行快速原型设计和评估。或者,也可以将该套件(采用MC9S12ZVML12 MCU)配置为基于传感器的霍尔传感器或解算器进行操作评估。
随着技术的进步,机器人技术的未来前景激动人心,其中包括通过改进的电机控制和传感技术的精确驱动创造了新机会 传感,控制和电机是创新将持续影响机器人如何随着技术创新不断发展而变化的关键领域。

(责任编辑:ioter)

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