機(jī)器人執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃的具體任務(wù)，如裝配線工作、手術(shù)援助、倉庫提貨/搜索，甚至排除地雷等危險任務(wù)?，F(xiàn)在的機(jī)器人不僅能處理高重復(fù)性的工作，還能完成方向和動作需要靈活性的復(fù)雜功能。隨著技術(shù)的進(jìn)步、速度和靈活性的提高、成本的降低，機(jī)器人被廣泛采用。低于人工成本的優(yōu)勢也顯示了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的希望。此外，機(jī)器人的視覺、計算能力和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)步也將推動機(jī)器人應(yīng)用的普及。

這些高性能機(jī)器人的實現(xiàn)取決于以下方面的提高

1.復(fù)雜的傳感器；

2.實現(xiàn)實時決策和動作的計算能力和算法

3.快速準(zhǔn)確提高機(jī)械動力實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的馬達(dá)

具體選擇馬達(dá)類型和型號時，設(shè)計師必須考慮三個主要因素

1.馬達(dá)的最小和最大轉(zhuǎn)速(還有加速度)

2.馬達(dá)能提供的最大扭矩和扭矩與速度曲線的關(guān)系

3.電機(jī)操作(無傳感器和閉環(huán)控制)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性

當(dāng)然，在選擇馬達(dá)時，還有許多重要因素，如尺寸、重量和成本。對于幾乎所有小型到中型的機(jī)器人驅(qū)動器來說，驅(qū)動電機(jī)的選擇通常包括刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

有刷直流電機(jī)是最古老的直流電機(jī)技術(shù)，最簡單，成本也最低。由于電刷與轉(zhuǎn)子之間的接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將切換(轉(zhuǎn)向)繞過轉(zhuǎn)子的繞組磁場。電機(jī)的速度是施加電壓的功能，因此驅(qū)動要求不高，但管理扭矩困難。由于刷子磨損、需要清掃維護(hù)、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，刷直流電機(jī)往往成為機(jī)器人設(shè)計中最不具吸引力的選擇。

無刷直流電機(jī)出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，由于兩方面的發(fā)展，一是出現(xiàn)了堅固、體積小、成本低的永久磁鐵，二是出現(xiàn)了體積小、效率高的電子開關(guān)(通常為MOSFET)，切換流向繞組的電流。電子方向取代了有刷電機(jī)的機(jī)械方向控制磁場的切換，周圍固定的切換線圈和旋轉(zhuǎn)芯的磁鐵之間的相互作用取代了有刷電機(jī)的機(jī)械方向，即利用磁場和電場之間的相互作用。通過改變MOFSET的開關(guān)頻率，可以控制馬達(dá)的速度。此外，與有刷電機(jī)相比，其電機(jī)控制器可以更好地控制電機(jī)的性能。

更精彩的是，高級算法如PID(比例-點(diǎn)-微分)校正算法或FOC(磁場定向控制，有時也稱為矢量控制)控制算法可固化在電機(jī)控制器中。這使理想的馬達(dá)操作符合實際負(fù)荷和負(fù)荷變化，使馬達(dá)的性能更加強(qiáng)大和正確。例如，電機(jī)控制算法/程序可以考慮轉(zhuǎn)子慣性等相關(guān)因素，使電機(jī)驅(qū)動器適應(yīng)，逐漸減少機(jī)械因素造成的錯誤。這種算法可以正確控制加速度和扭矩。

與有刷電機(jī)相比，無刷電機(jī)(BLDC)需要更復(fù)雜的控制電路，但可以表現(xiàn)出更好的性能。通常，BLDC馬達(dá)需要設(shè)置霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器、反電動勢檢測器等位置反饋傳感器。

機(jī)器人常用的另一種BLDC馬達(dá)是步進(jìn)馬達(dá)，此時使用開關(guān)式電磁鐵，位于永磁環(huán)中央磁鐵旁邊。步進(jìn)電機(jī)不是通常的旋轉(zhuǎn)，而是通過不斷旋轉(zhuǎn)的軸，逐漸提高旋轉(zhuǎn)速度，可以實現(xiàn)某個角度的旋轉(zhuǎn)或持續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有可重復(fù)的運(yùn)動控制，必要時可返回以前的位置。

步進(jìn)角度范圍為1.8°(200步/旋轉(zhuǎn))至30°(12步/旋轉(zhuǎn))，步進(jìn)角度和步數(shù)取決于電機(jī)持有的永久磁鐵的數(shù)量，但該范圍以外的值也可以實現(xiàn)。

步進(jìn)電機(jī)在通電但沒有步進(jìn)方向的情況下，可以維持在原來的位置的步進(jìn)電機(jī)在低rpm中提供高扭矩。讓步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)最直接的方法是有序地切斷電磁鐵，但這可能會帶來振動和振動。無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有部分重疊。步進(jìn)電機(jī)更適用于需要精確的進(jìn)退動作(如拾取和配置)的應(yīng)用領(lǐng)域，而不是需要長時間持續(xù)旋轉(zhuǎn)的領(lǐng)域，也適用于不需要電機(jī)提供高扭矩和速度的小應(yīng)用領(lǐng)域。另外，步進(jìn)電機(jī)對能源效率的要求也低于無刷直流電機(jī)。除了這里列出的馬達(dá)，還有很多其他類型。馬達(dá)系列多而復(fù)雜，分支多。例如，永磁同步電機(jī)(PMSM)是無刷直流電機(jī)(相對于轉(zhuǎn)子)和交流感應(yīng)電機(jī)(相對于定子結(jié)構(gòu))的結(jié)合體。它具能效高、單位小體積相對密度高、扭矩重量比、響應(yīng)時間快、控制方便等特點(diǎn)，但價格相對較高。

機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)不僅包括電機(jī)，還包括三個主要功能模塊。

1.實時控制器表現(xiàn)為以下三種形式。

作為普通用途、運(yùn)行運(yùn)動-控制固件的快速計算處理器

應(yīng)用于控制、DSP的FPGA

專用控制器和內(nèi)置算法的專用控制器IC電路。

2.一個或多個級別連接的驅(qū)動層，將低層信號從控制器輸出中取出，然后輸出控制電子設(shè)備切斷所需的高電壓/電流。

3.MOSFET(或IGBT或雙極晶體管等其他開關(guān)設(shè)備)控制電機(jī)繞組的電流。

具體MOSFET的選擇主要取決于電機(jī)和繞組所需的電流和電壓大小。MOSFET型號確定后選擇驅(qū)動器，MOSFET驅(qū)動器的選擇可能需要由MOSFET的額定值決定的一系列升壓驅(qū)動器，具體取決于MOSFET的尺寸。

選擇控制器時可能遇到的問題。

控制器型號的選擇也有戰(zhàn)略性，需要在選擇具體的供應(yīng)商和型號之前決定。選擇只使用電機(jī)控制的通用處理器、具有高計算能力的FPGA、專用控制IC電路(通常來自特定的電機(jī)控制供應(yīng)商)時需要考慮的地方很多。設(shè)計師需要考慮以下因素:

你需要什么復(fù)雜的控制算法，I/O口是多少？

誰提供控制算法和代碼:IC供應(yīng)商、第三方合作伙伴還是無關(guān)第三方開發(fā)人員？他們?nèi)绾未_認(rèn)和驗證馬達(dá)及其應(yīng)用性能？

你需要多少用戶編程能力？即使是專用且不需要編程的控制器，也要求用戶選擇算法類型、閉環(huán)控制模式。

(位置、速度或加速度)，需要設(shè)置操作參數(shù)。

馬達(dá)和應(yīng)用有獨(dú)特的屬性嗎？如果答案是肯定的，選擇可編程集成電路會更好。相反，如果不需要修改算法，最好選擇具有硬連接、固化算法的專用IC，而不是完全可編程的IC。

控制器需要支持多種電機(jī)型號嗎？即使是同一種類型，控制器只支持該型號中的某種尺寸的馬達(dá)還是一系列尺寸范圍？

供應(yīng)商提供多少技術(shù)支持？他們有什么實際開發(fā)的馬達(dá)經(jīng)驗？他們是否提供控制IC和MOSFET驅(qū)動器之間的接口電路的具體參考設(shè)計

是否有監(jiān)督問題需要注意例如，授權(quán)的能效評估。

（很多電機(jī)APP現(xiàn)在都要滿足各種綠色環(huán)保要求）。如果是，供應(yīng)商是否了解這些問題，他們的零部件和算法是否滿足這些要求？

開發(fā)套件展示控制器和接口性能。

對于很多工程師來說，將所有部分——包括具有固化或獨(dú)立算法的控制器、驅(qū)動器、MOSFET等——融合在一起，是需要多部門協(xié)助完成的任務(wù)，不想從零開始的任務(wù)。因此，許多供應(yīng)商提供包括控制器、例子算法、驅(qū)動器和MOSFET的評價板甚至完整的套件。例如，F(xiàn)reescaleMTRCKTSPNZVM128三相無傳感器PMSM套件采用無傳感器電機(jī)控制技術(shù)驅(qū)動三相BLDC或PMSM電機(jī)。該套件設(shè)計通過微控制器集成ADC模塊支持使用反電動勢迅速進(jìn)行原型設(shè)計和評價。此外，該套件(具有MC9S12ZVML12微控制器)還可配置為基于傳感器評估使用霍爾傳感器或分析器的操作。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，改善電機(jī)控制和傳感帶來的正確執(zhí)行將創(chuàng)造新的機(jī)遇、機(jī)器人。