关于电机控制技术给机器人带来的革新分析

相比如何选择mos管和驱动器，控制器型号的选择也很富有策略性，并且需要在对具体供应商和款式的选择之前作出决定。这是因为在选择是使用一个仅作电机控制的通用可编程处理器，还是使用一个高计算能力的FPGA，抑或是使用一个专用的控制IC电路（后者通常出自特定的电机控制供应商）时有许多需要权衡考虑的地方。设计师需要考虑的一些点包括：

•你需要何种复杂度的控制算法，有多少I/O口？比如说，FOC控制算法涉及多重并行计算的复杂转换，因而需要高级功能模块（图6）。

图6：高级电机控制途径如场向控制需要多重数字转换，并且需要同时拥有一个高速内环及低速外环控制。（图片来源：Altera）

•如果使用一个通用可编程IC或者FPGA，谁来提供控制算法及代码：是IC供应商，还是第三方合作伙伴，还是不相关的第三方开发者？他们如何确认并验证电机及其应用的性能？

•如果使用一个专用预编程控制IC，那会不会提供所有我们需要的功能和特点？

•你需要或想要多少用户编程能力？即使是专用的、不需要编程的控制器，也会要求用户去选择算法类型、闭环控制模式（位置，速度，或加速度），并且需要设置一些操作变量如时间常数和可允许误差范围等。

•有改变和修改基本算法的需要？或者电机和应用有独特的属性要设置吗？如果答案是肯定的，那选择可编程IC会更好。相反，如果有需要不断修改算法的担心，这种情况下，相比完全可编程的IC，选择带有硬连线、固化算法的专用IC会比较好。

•控制器需要支持一种还是多种电机型号？即便是同一种，控制器是只支持该型号中某种尺寸的电机，还是支持一系列范围尺寸？

•供应商提供何种程度的技术支持？他们有多少实际动手开发的电机经验？他们会不会提供曾经搭建且验证过的具体参考设计，包括控制IC和mos管驱动器间的接口电路？

•是否有一些监管问题需要注意？如授权能效（许多电机应用现在必须“绿色”环保要求）。如果是，供应商理解这些问题吗，并且能以他们的元器件和算法满足这些要求吗？

芯片和电路板实例显示控制器、接口性能

对于许多工程师来说，将所有的部分—包括带有固化或独立算法的控制器、驱动器、还有MOS管等融合到一起，这将是一个多学科任务，一个他们不想“从零开始”的任务。出于这个缘由，许多电机控制IC供应商提供包含了控制器、算法、驱动器和MOS管的评估板甚至是完整的可交付板。

举个例子，Applied Motion Products公司1240i是款可编程的步进电机驱动器，适合在一系列的动作控制应用领域使用（图7）。它有一个集成了50瓦细分控制放大器的复杂控制器，可以和步进电机直接相连，能提供高达1.2安的可编程电机电流，速度能达50转/秒。

图7:来自Applied Motion Products公司的1240i型可编程步进电机驱动器是个完整电机控制体，并且能被PC上的终端应用设置引导，或者经过配置后，用作独立的控制器（图片来源：Applied Motion Products）

不同的改动可适用于处理不同版本的标准步进电机和不同的接口。使用供应商提供的动作控制开发包和一台标准PC机，用户可通过编程来把这块板配置成一个独立的动作控制器。该板也能被主机或可编程逻辑控制器(PLC)实时控制。

机器人有光明的前景。传感、控制和电机这些关键领域的革命将持续影响机器人技术的变革。

使用流体动力？

使用压缩流体是使用电机外机器人动力的另一选择。压缩流体有两种形式：基油液压和基于空气的气动。基于液压的动力在大动力应用中有很长的历史，比如掘土设备，并且由于原理简单，其很长一段时间被用在早期自动组装线机器人上。然而，液压促动器需精心集成液压设计和元件的电子控制单元，同时还要加上一个电力供应压缩机/泵。更糟糕的是，由于不可避免的密封泄露问题、维修（同时需要电子和液压技术人员）的复杂性、泄露带来的环境后果等等因素，使得液压传动成为万不得已的选择，或者说有对环境噪声（EMI或RFI）敏感的担忧时，我们可以使用它。

另外一些低动力的应用中，我们使用压缩空气的方法，特别是担心受到EMI/RFI和ESD影响的时候。基于气体的系统没有潜在的液压流体的问题，但是他们不能在既定体积下提供足够的动力，因此压缩空气所需的供应线相对比较笨重。和基油液压传动一样，气动系统也存在泄露问题，而且很难定位出泄露点，并且需要多学科的知识来设计、安装和维修。尽管如此，它们仍是在只需要满足基本、快速和来回动作等要求时的可行选择。

由于强动力电子电机和它们控制器的不断发展，许多先前使用液压的应用已经被更新换代了，除非有其它可信的技术原因来维持使用液压。对于新的设计，特别是小到中型机器人设计情形时（甚至是一些大型机器人的设计），首选使用电子控制和电子电机。这并不意味着液压系统已经过时了，因为在高速度，高冲击，高动力冲击领域，对于液压与气压仍有需求。金属锻造站冲压（液压）和航母启动弹射器（蒸汽和空气）就是很好的实例。