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如何為機器人選擇合適的電機?

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點擊次數:  更新時間:2019-10-14 09:32:21  【打印此頁】  【關閉

  隨著技術的提高,速度和靈活性的提高,成本的下降,機器人的采用率勢必會提高。我們正在接近行業的拐點,即使用機器人的成本效益好于勞動力。此外,機器視覺、計算能力和網絡方面的進步使機器人能夠用于更廣泛的領域。高度集成的控制器和驅動器指向了電子和電機所達到的靈活性和集成度水平。

  那么如何為機器人選擇合適的電機?設計人員在選擇特定的電機類型和型號時有三個主要參數:

  1.最小和最大電機速度(和相關的加速度);

  2.電機可以提供的最大扭矩,以及扭矩—轉速曲線;

  3.電機運行的精度和可重復性(不使用傳感器和閉環控制)。

  當然,還有許多其他的性能因素,包括尺寸、重量和成本因素。對于幾乎所有的中小型機器人執行機構,驅動執行機構的最常見選擇是有刷直流電機、無刷直流電機(BLDC)和步進電機。(但是,在某些情況下,氣動和液壓是最好的選擇。)

  最古老的直流電機技術——有刷電機是最簡單和成本最低的選擇。通過與轉子接觸的載流電刷,電機轉子的旋轉可切換(換向)圍繞轉子的繞組磁場。電機轉速是施加的電壓的函數,所以驅動要求是最小的,但是管理扭矩是困難的。由于刷子磨損,它們也存在可靠性問題,可能需要進行清潔維護,并且是電噪聲(EMI)的來源。由于這些原因,有刷直流電機在大多數情況下是機器人最不具吸引力的選擇。

  無刷直流電機出現在20世紀60年代,由于堅固、小型、低成本的永磁體和小型、高效的電子開關(通常為MOSFET)來切換流向繞組的電流,所以是對有刷電機的改進。 “電子換向”取代了實際接觸電機的電刷,來開啟和關閉磁場。因此,利用了磁場與電能流動之間的關系。電機速度通過改變MOSFET開關的速度來控制。另外,與有刷電機相比,這種電機的控制器有更嚴格的電機性能控制。

  在無刷電機中,當磁場與轉子上的永磁體相互作用時,線圈電流在定子繞組中進行電子切換。在這個圖像中,缺少的轉子屬于中心。

  但是,這些電機還可以實現更好的控制,因為PID(比例積分微分)或FOC(磁場定向控制,有時也稱為矢量控制)等高級算法可以嵌入到電機控制器中。這使所需的電機操作符合負載和負載變化的實際情況,從而提供更強大、更準確的性能。例如,電機控制算法/編程可以考慮轉子的慣性,并相應地調整電機驅動,從而減少由于機械問題所引起的誤差。使用定制算法可以更精確地控制加速度和扭矩。

  與有刷電機相比,無刷電機(BLDC)需要更復雜的控制電子器具,但性能可能會更好。BLDC電機通常需要通過霍爾效應傳感器、光學編碼器或通過感應反電動勢的位置反饋。

  步進電機是機器人中經常使用的一種特定類型的BLDC電機,該電機采用了布置在中心磁芯周圍的切換電磁體,磁芯是采用永磁體環排列。在正常意義上,步進電機是不“旋轉的”;相反,電機軸被引導進行有限、逐步的增量(步進)運動,因此可以被引導進行一個完整的旋轉的一部分的轉動以及連續旋轉。步進電機具有非常可重復的運動控制;步進電機可以返回到原來的位置,如果被引導的話。

  “步距”的角度一般小至1.8°,在360°(一次旋轉)的情況下可產生大約200步的運動。在360°運動中,步距角為30°,每次旋轉可產生12步(12 X 30 = 360)。 步距角或每轉的步數取決于電機所具有的永磁體的數量,但是可以使用更高和更低的值。

  使用步進電機時,如果電源“接通”,但沒有步進指令,它們則保持其位置不動。步進電機可以在低轉速時提供高扭矩。引導步進電機移動的最直接的方法是依次打開或關閉電磁鐵,但這會引起震顫或振動。

  BLDC和步進電機之間存在應用重疊。步進電機更適合需要精確來回運動的應用,如拾取和放置,而不是長時間連續旋轉,以及不需要電機提供高扭矩或速度的小型應用。而且,步進電機不像無刷直流電機那樣節能。

  當然,還有很多其他的電機選項。電機家族譜系樹長而復雜,有許多兄弟姐妹和表親。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)的組合。它的特點包括:高效率、在小封裝中功率相對較高、扭矩/重量比高、響應時間快、控制相當容易,但成本高。

控制需要精良

  機器人運動系統不僅僅是一個電機,它由三大功能塊組成:

  1. 實時控制器,可以通過以下三種方式之一來實現:

  ? 一個通用的計算速度快的處理器,來運行運動控制固件

  ? 為控制應用編程的DSP導向FPGA

  ? 具有硬連線、嵌入式算法的專用控制器IC。

  2. 串聯一個或多個驅動器級,以從控制器輸出獲取低電平信號,并將它們接到電子開關所需的更高電壓/電流。

  3. MOSFET(或其他開關元件,例如IGBT或雙極晶體管),它實際上控制流向電機繞組的電流。

  為電機選擇MOSEFT需要了解電機及其繞組的電流和電壓要求。然后,要打開和關閉的MOSFET需要一個驅動器,由MOSFET的額定值決定。 事實上,根據MOSFET的尺寸,可能需要一系列升壓驅動器。

在選擇控制器時需要提出的問題

  為所有這些電機選擇使用的控制類型是在選擇特定供應商或型號之前應該作出的戰略選擇。這是因為在決定使用非常適合于電機控制的通用處理器時有許多東西要去權衡,比如易于計算的FPGA或專用控制IC(后者通常來自專門的運動控制供應商)。設計師必須考慮下面一些要點,包括:

  ?您需要什么級別的控制算法精確度和復雜性,以及要多少I / O?

  ?誰提供控制算法和代碼:IC供應商,與他們合作的第三方,還是不相關的第三方?他們如何驗證和測試您的電機和應用?

  ?您需要多少用戶可編程性?即使是專用的,不可編程的控制器也允許用戶選擇算法類型、閉環控制模式(位置、速度、加速度)和設置操作參數。

  ?電機和應用程序是否有獨特的屬性?如果是這樣,一個可編程IC可能會更好。如果有不斷的請求修改算法呢?在這種情況下,采用硬連線嵌入式算法的專用IC可能比完全可編程的IC更好。

  ?控制器是否必須支持多種類型的電機?即使只有一種類型,是支持一種這種類型的電機尺寸還是一系列尺寸?

  ?供應商提供哪些技術支持?他們有什么真正實際的電機經驗?他們是否提供了已經構建和測試的詳細參考設計,包括控制IC和MOSFET驅動器之間的接口?

  ?是否有法規問題需要注意,比如規定的效率(許多電機應用現在必須符合各種“綠色”標準)?如果是這樣,供應商的組件和算法是否能夠理解和滿足?

開發套件顯示控制器和接口功能

  對于許多工程師來說,將所有部件拉到一起——帶有嵌入式或獨立算法的控制器、驅動器和MOSFET——是一項多學科的任務,而且他們不希望“重新發明輪子”。出于這個原因,許多供應商提供評估板或完整的套件與控制器、樣本算法、驅動器和MOSFET。飛思卡爾的MTRCKTSPNZVM128三相無傳感器PMSM套件是其中一個例子,它被用于驅動使用無傳感器電機控制技術的三相BLDC或PMSM電機。通過采用集成ADC模塊的微控制器的反電動勢感測,這個相當復雜的套件旨在幫助實現快速的原型設計和評估。或者,也可以將此套件(具有MC9S12ZVML12微控制器)配置為基于傳感器的,以便使用霍爾傳感器或旋轉變壓器進行操作評估。

  隨著技術的進步,機器人技術的未來前景激動人心,這些進步包括通過改進的電機控制和傳感實現精確驅動,從而創造了新的機會。傳感、控制和電機是關鍵的領域,隨著技術創新不斷發展,這些領域的創新將持續影響機器人的技術演進。



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