关于机器人使用的电机选择分析

但是使用高级算法可以更好的控制马达，比如在电机控制器中嵌入PID（比例 - 积分 - 微分）或FOC（磁场定向控制，有时也被称为矢量控制）。此所需电机操作匹配实际的负载和负载变化，提供增强的、更精确的性能。例如，马达控制算法/程序事关转子惯性，并相应地调整电机驱动，从而降低因机械问题导致的故障。使用定制算法能够使加速和扭矩控制地更精确。

相较于有刷电机，无刷电机（BLDC）需要更复杂的电子控制装置，但也提供更佳性能。 BLDC电机通常需要通过霍尔效应传感器、光学编码器或者通过检测反电动势来进行位置反馈。

机器人中的BLDC电机中经常使用的一种类型是步进电机（图3），它采用中心芯周围的永磁体环来切换电磁场。步进电机并不是传统意义上的“旋转”;相反，步进轴可以以有限的、一步一步的增量（步骤）方式移动，所以，除连续旋转外，可以仅移动完整旋转的一小部分。步进电机具备完全可重复的运动控制;通过指令控制，步进轴可以返回到它之前所在的某个具体位置。

“步”的角度通常可以小到1.8⁰，其中360⁰（一转）产生约200步的动作。30⁰的步进角转一圈共需12步（12×30= 360）。步进角或每转的步数取决于电机具有的永久磁铁数量，但更高或更低值也是可以的。

图3：包含所有部件的步进电机框图。 MOSFETS位于功率级。来源：http：//www.mouser.com/applications/motor-control-stepper/

在步进电机中，如果电源位于的“连通”状态，但没有步进指示，它们将维持原有位置。步进电机可以在低转速下提供高扭矩。使步进轴移动的最直接方式是按序开关电磁铁，但可能会导致颤动或振动。

无刷直流电机和步进电机之间存在重叠的应用类型。步进电机更适合于要求精确往复运动的应用，如拾取和放置，而不适合长时间的连续转动，以及一些较小型应用，不需要电机提供高转矩或速度。另外，步进电机能效表现上不如无刷直流电机。

还有许多其它电机选项。电机族谱树很长而且复杂，还有许多孪生兄弟姐妹。例如，永磁同步电机（PMSM）是无刷直流电动机（相对于转子）和AC感应电机（相对于定子结构）的组合。它封装较小，却具备高效率，高转矩/重量比，快速响应时间，并且容易控制的优势，但成本也高。

控制要求精度

机器人运动系统不仅仅是一个电机;它包括三个主要功能块：

1.实时控制器，它有以下三种实现方式：

o一个通用的、计算速度快的处理器，运行运动控制固件

o一个DSP型的FPGA，可编程为控制类应用

o一个专用控制器IC，使用硬连线嵌入式算法。

2.一个或多级串联驱动器，从控制器输出获取低电平信号，并向控制器输出电子开关所需高电压/电流的信号。

3.MOSFET（或其它的开关元件，例如IGBT或双极晶体管），它实际上控制到电机绕组的电流流动。

选择用于电机的MOSEFT需要知道电机和绕组的电流和电压要求。随后开关MOSFET，需要驱动器，反倒由MOSFET的等级来确定。实际上，取决于MOSFET尺寸存在一系列升压驱动器。

选择控制器时的常见问题

选择何种控制是一种策略选择，需要在具体供应商和型号选择之前决定下来。这里存在诸多权衡，比如使用通用处理器，它非常适合于电机控制，以及采用计算友好FPGA或专用的控制集成威廉希尔官方网站 （后者通常来自特殊的运动控制供应商）。设计人员必须考虑的一些关键点包括：

•你需要控制算法的复杂性和复杂度如何，以及需要多少I / O？

•谁提供控制算法和代码：集成威廉希尔官方网站 供应商，与他们合作的第三方，或无关联的第三方？他们如何验证和测试你的电机和应用

•你需要多少用户可编程性？甚至专用的、非可编程控制器允许用户选择算法类型，闭环控制模式（位置，速度，加速度）以及设定操作参数。

•电机和应用是否具有独特属性？如果属实，可编程集成威廉希尔官方网站 是更好选择。是否有对算法的持续个性需求？在这种情况下，具有硬连线嵌入式算法的专用集成威廉希尔官方网站 与比完全可编程的集成威廉希尔官方网站 更好。

•控制器是否必需支持多种类型电机？即使类型唯一，电机尺寸是大小唯一，还是需要保证在某个范围内？

•供应商提供何种级别的技术支持？他们的实际电机动手经验如何？他们是否提供已测试过的详细参考设计，包括控制IC和MOSFET驱动器之间的接口？

•是否需要关心认证问题，比如强制效率（很多电机应用现在必须满足各种“绿色”标准）？如果属实，那么供应商是否了解并满足它们，不管是组件还是算法？

开发套件显示控制器和接口能力

对于许多工程师来说，将所有部件聚集在一起——包含嵌入式或独立算法的控制器，驱动程序和MOSFET——是一个复杂任务，并且他们并不想“反复造车”。因为这些原因，许多供应商提供评估板或完整套件，包括控制器、示范算法、驱动程序和MOSFET。其中一个示例是飞思卡尔MTRCKTSPNZVM1283三相无传感器PMSM套件，使用无传感器电机控制技术来驱动三相BLDC或PMSM电机。这种相当复杂的套件旨在实现通过使用MCU集成ADC模块方式的反电势感应来进行快速原型设计和评估。或者，同一套件（带MC9S12ZVML12 MCU）可以配置为基于传感器的评估，其中具体使用霍尔传感器或分解器来操作。

伴随科技的进展，包括通过提高电机控制和传感实现精确驱动等技术的进步，机器人将有一个激动人心的前景，并将创造新的机遇。传感，控制和电机是三大关键领域，这里的持续创新将塑造机器人的演进方向。