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如何为机器人选择合适的电机?

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点击次数:  更新时间:2019-10-14 09:32:21  【打印此页】  【关闭

  随着技术的提高,速度和灵活性的提高,成本的下降,机器人的采用率势必会提高。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领域。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度水平。

  那么如何为机器人选择合适的电机?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扭矩,以及扭矩—转速曲线;

  3.电机运行的精度和可重复性(不使用传感器和闭环控制)。

  当然,还有许多其他的性能因素,包括尺寸、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机、无刷直流电机(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。)

  最古老的直流电机技术——有刷电机是最简单和成本最低的选择。通过与转子接触的载流电刷,电机转子的旋转可切换(换向)围绕转子的绕组磁场。电机转速是施加的电压的函数,所以驱动要求是最小的,但是管理扭矩是困难的。由于刷子磨损,它们也存在可靠性问题,可能需要进行清洁维护,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。

  无刷直流电机出现在20世纪60年代,由于坚固、小型、低成本的永磁体和小型、高效的电子开关(通常为MOSFET)来切换流向绕组的电流,所以是对有刷电机的改进。 “电子换向”取代了实际接触电机的电刷,来开启和关闭磁场。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,与有刷电机相比,这种电机的控制器有更严格的电机性能控制。

  在无刷电机中,当磁场与转子上的永磁体相互作用时,线圈电流在定子绕组中进行电子切换。在这个图像中,缺少的转子属于中心。

  但是,这些电机还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/编程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所引起的误差。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器具,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。

  步进电机是机器人中经常使用的一种特定类型的BLDC电机,该电机采用了布置在中心磁芯周围的切换电磁体,磁芯是采用永磁体环排列。在正常意义上,步进电机是不“旋转的”;相反,电机轴被引导进行有限、逐步的增量(步进)运动,因此可以被引导进行一个完整的旋转的一部分的转动以及连续旋转。步进电机具有非常可重复的运动控制;步进电机可以返回到原来的位置,如果被引导的话。

  “步距”的角度一般小至1.8°,在360°(一次旋转)的情况下可产生大约200步的运动。在360°运动中,步距角为30°,每次旋转可产生12步(12 X 30 = 360)。 步距角或每转的步数取决于电机所具有的永磁体的数量,但是可以使用更高和更低的值。

  使用步进电机时,如果电源“接通”,但没有步进指令,它们则保持其位置不动。步进电机可以在低转速时提供高扭矩。引导步进电机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。步进电机更适合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,以及不需要电机提供高扭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。

  当然,还有很多其他的电机选项。电机家族谱系树长而复杂,有许多兄弟姐妹和表亲。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。它的特点包括:高效率、在小封装中功率相对较高、扭矩/重量比高、响应时间快、控制相当容易,但成本高。

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:

  • 一个通用的计算速度快的处理器,来运行运动控制固件

  • 为控制应用编程的DSP导向FPGA

  • 具有硬连线、嵌入式算法的专用控制器IC。

  2. 串联一个或多个驱动器级,以从控制器输出获取低电平信号,并将它们接到电子开关所需的更高电压/电流。

  3. MOSFET(或其他开关元件,例如IGBT或双极晶体管),它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

  为所有这些电机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时有许多东西要去权衡,比如易于计算的FPGA或专用控制IC(后者通常来自专门的运动控制供应商)。设计师必须考虑下面一些要点,包括:

  •您需要什么级别的控制算法精确度和复杂性,以及要多少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?

  •您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,是支持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?他们有什么真正实际的电机经验?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?

  •是否有法规问题需要注意,比如规定的效率(许多电机应用现在必须符合各种“绿色”标准)?如果是这样,供应商的组件和算法是否能够理解和满足?

开发套件显示控制器和接口功能

  对于许多工程师来说,将所有部件拉到一起——带有嵌入式或独立算法的控制器、驱动器和MOSFET——是一项多学科的任务,而且他们不希望“重新发明轮子”。出于这个原因,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。飞思卡尔的MTRCKTSPNZVM128三相无传感器PMSM套件是其中一个例子,它被用于驱动使用无传感器电机控制技术的三相BLDC或PMSM电机。通过采用集成ADC模块的微控制器的反电动势感测,这个相当复杂的套件旨在帮助实现快速的原型设计和评估。或者,也可以将此套件(具有MC9S12ZVML12微控制器)配置为基于传感器的,以便使用霍尔传感器或旋转变压器进行操作评估。

  随着技术的进步,机器人技术的未来前景激动人心,这些进步包括通过改进的电机控制和传感实现精确驱动,从而创造了新的机会。传感、控制和电机是关键的领域,随着技术创新不断发展,这些领域的创新将持续影响机器人的技术演进。



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