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      做好機器人,選對電機是關鍵

      2020-03-20

      做好機器人,選對電機是關鍵

          機器人執行預先規劃好的具體任務,比如組裝線工作、手術援助、倉庫提貨/檢索,甚至是排除地雷等危險任務。如今的機器人不僅能夠處理高重復性的工作,還能完成在方向和動作上需要靈活性的復雜功能。隨著技術的進步、速度與靈活性的提升、成本的降低,機器人將被逐漸廣泛采用。低于人工的成本優勢也讓我們看到了機器人產業的曙光。此外,機器視覺、計算能力以及網絡的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得益于以下幾個方面的提升:

      1.復雜的傳感器;

      2.實現實時決策與動作的計算能力與算法;

      3.快速、精準進步機械動力實現復雜任務的電機;

      在具體選擇電機類型和型號時,設計師要考慮三個首要的因素設計師要考慮:

      1.電機的轉速(還有加速度);

      2.電機可以提供的扭矩,以及扭矩和速度曲線的關系;

      3.電機操作(不用傳感器和閉環控制時)的精準性和重復性;

          當然,在選擇電機時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器人驅動器來說,驅動電機的選擇通常有刷直流電機、無刷直流電機(BLDC)和步進電機。(然而,某些情形下液壓與氣壓機才是好的選擇。)

          有刷電機是古老的直流電機技術,簡單、成本也低。由于電刷與轉子間的接觸,電機轉子的轉動會切換(換向)繞在轉子上的繞組磁場。電機的速度是施加電壓的函數,因此驅動要求不高,但管理扭矩卻很難。由于電刷磨損、需要清理維護,以及可能會成為電子噪聲源(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,大多數情況下,有刷直流電機成為機器人設計中不具有吸引力的選擇。

          無刷直流電機出現于19世紀60年代,它得益于兩方面的發展:一是出現了堅固、體積小、低成本的永磁鐵;二是出現了體積小效率高的電子開關(通常為MOSFET)來切換流向繞組的電流。“電子換向”取代了有刷電機的機械換向來控制磁場的切換,周圍固定的切換線圈與旋轉芯上的磁鐵間的相互作用取代了有刷電機的機械換向,即利用了磁場與電場之間的相互作用。通過改變MOFSET的開關頻率,電機速度從而可以被控制。另外,相對于有刷電機,其電機控制器能更好地控制電機性能。

          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,有時也稱之為矢量控制)控制算法能被固化到電機控制器中。這使理想的電機操作與實際的負載及負載變化相匹配,從而使電機性能更加強大與精確。例如,電機控制算法/程序可以考慮到轉子慣性等相關因素,并且使電機驅動器適應并逐漸減少由于機械因素導致的錯誤。這樣的算法使精確控制加速度和轉矩成為可能。

          與有刷電機相比,無刷電機(BLDC)雖需更復雜的控制電路但卻可以表現出更優的性能。通常BLDC電機需要配備一個位置反饋傳感器,比如霍爾效應傳感器、光學編碼器,或者反電動勢檢測器件。

          機器人中常用的另一種BLDC電機是步進電機,此時用到開關式電磁鐵,位于永磁環中央磁芯旁。步進電機不以常規方式“旋轉”;而是借助于不斷轉動的軸,逐步提升轉速,因此可以實現某一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;在需要時可以返回之前的位置。

          步進角度范圍為1.8°(200步/轉)至30°(12步/轉),步進角或步數取決于電機所擁有的永磁鐵個數,但這個范圍之外的值也是可以實現的。

          對于步進電機,如果通電卻沒有步進指向,它們會維持在原位置;步進電機能以低rpm提供高扭矩。讓步進電機轉動直接的方法是有序通斷電磁鐵,但這可能會帶來抖動或振動。無刷電機和步進電機的應用領域有部分重疊。步進電機更適合需要精確的進退動作(如撿拾和安置)的應用領域,而不是需要長時間持續轉動的領域,也適合于不需要電機提供高轉矩或速度的小應用領域。此外,步進電機對于能源效率的要求也低于無刷直流電機。

          除了這里列出的電機以外,還有許多其它類型可供選擇。電機系列很多而且也很復雜,有很多的分支。例如,永磁鐵同步電機(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。它具有高能效、單位小體積相對密度高、扭矩重量比、快速響應時間,以及相對容易控制等特點,但價格相對也比較高。

      機器人運動系統不僅涉及電機,它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。

          作通常用途、運行運動-控制固件的快速計算處理器;應用在控制方面、面向DSP的FPGA;帶硬連線和內置算法的專用控制器IC電路。

      2.一個或多個級聯的驅動層,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(或者其它開關器件,如IGBT或者雙極型晶體管),它控制流向電機繞組的電流。

          具體MOSFET的選取主要取決于電機和繞組所需的電流和電壓大小。MOSFET型號確定下來之后再選擇驅動器,MOSFET驅動器的選擇由MOSFET的額定值決定;有時可能需要一系列升壓驅動器,具體取決于MOSFET的尺寸。


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