机器人设计中的电机选择指南

机器人执行特定的、精确定义的任务，比如流水线作业，手术援助，仓库发货/检索，甚至还有矿井清理。当前的机器人可以同时处理高度重复的任务和复杂的功能，比如需要具备方向和行动上（图1）的灵活性。随着技术的改进，速度和灵活性在提升，成本也有所下降，人们的接受程度也在增加。目前已接近行业中的拐点，即机器人的成本效益比人工劳力更好。此外，机器视觉、计算能力和网络方面的进步促使机器人获得了更广泛的应用。

图1：目前人们也经在许多应用中采用机器人，覆盖小到小型拾放机以及大到大型汽车自动组装生产线（包括抬取、安置、安装甚至焊接部件与子组件）（来源：IStockPhoto.com）

以下技术进步成就了当前的高性能机器人：
• 各类复杂的传感器
• 计算能力以及算法支持实时决策和动作
• 电机可以快速、高精度地使用机械动力来完成日益复杂的任务。

每个因素都对机器人设计起了至关重要的作用，因为技术的进步以及它们之间存在协同发展效应。

传统上，管理电机对电子工程师来说一直是一个挑战，因为许多问题与更熟悉的电子领域表现差异巨大。幸运的是，技术进步使得这些问题更易于处理，同时也带来了更好的性能。例如，德州仪器DRV8816双半桥式电机驱动器集成了内部保护功能和低功耗睡眠模式，从而静态电流可以非常小。高度集成的控制器和驱动器将电子和电机的灵活性和集成度提升到一个新水平。

选择电机指南

在选择特定的电机类型和型号时，设计人员需要考虑三个主要参数：
1. 电机的最小和最大速度（和相关联的加速度）;
2.电机可以提供的最大扭矩，和转矩与速度曲线;
3. 电机操作的精度和重复性（在不使用传感器和闭环控制时）。

当然，也有涉及电机选择的其它诸多性能因素，包括尺寸大小，重量和成本。对于几乎所有小到中型的机器人传动装置，为传动装置供电的最常用选择包括直流有刷电机、直流无刷电机（BLDC）和步进电动机。 （不过，也有一些案例中，最好选择是液压与气压）

有刷电机是最早的直流电机技术，也是最简单、成本最低的选择。电机的转子经由通电刷来开关（整流）围绕转子绕组的磁场，而电刷与转子接触。电机速度是施加电压的函数，因此，驱动要求最小值，但管理转矩很难。而且也有因电刷磨损引发的可靠性问题，可能需维护清洁性，并且也是电噪声（EMI）的来源。基于这些原因，直流有刷电机在大多数情况是机器人最差选择。

直流无刷马达（图2）大约出现于20世纪60年代，相对于有刷电机，使用了小型低成本强力的永久磁铁和小型高效的电子开关（通常的MOSFET）来切换电流到绕组流向。 “电子换向”取代了需要实际触摸电机的电刷，以接通和关断磁场。因此，磁场和电能流之间的关系得以被发掘使用。电机速度通过改变MOSFET的接通和断开的速度来控制。另外，相较于有刷电机，无刷电机控制器在马达性能控制方面更严格。

图2：在无刷电机中，线圈电流以电子方式在定子绕组中开断，而它们的磁场与转子中的永久磁铁相互作用。在该图中，未出现的转子位于中心位置。