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机器人应该如何选择电机?需要注意什么


机器人执行预先规划的具体任务,如装配线工作、手术援助、仓库提货/搜索,甚至排除地雷等危险任务。现在的机器人不仅能处理高重复性的工作,还能完成方向和动作需要灵活性的复杂功能。随着技术的进步、速度和灵活性的提高、成本的降低,机器人被广泛采用。低于人工成本的优势也显示了机器人产业的希望。此外,机器人的视觉、计算能力和网络进步也将推动机器人应用的普及。
闭环步进电机
这些高性能机器人的实现取决于以下方面的提高
1.复杂的传感器;
2.实现实时决策和动作的计算能力和算法
3.快速准确提高机械动力实现复杂任务的马达
具体选择马达类型和型号时,设计师必须考虑三个主要因素
1.马达的最小和最大转速(还有加速度)
2.马达能提供的最大扭矩和扭矩与速度曲线的关系
3.电机操作(无传感器和闭环控制)的准确性和重复性
当然,在选择马达时,还有许多重要因素,如尺寸、重量和成本。对于几乎所有小型到中型的机器人驱动器来说,驱动电机的选择通常包括刷直流电机、无刷直流电机和步进电机。
有刷直流电机是最古老的直流电机技术,最简单,成本也最低。由于电刷与转子之间的接触,电机转子的旋转将切换(转向)绕过转子的绕组磁场。电机的速度是施加电压的功能,因此驱动要求不高,但管理扭矩困难。由于刷子磨损、需要清扫维护、电子噪声源(电磁干扰)等因素,工作时也存在可靠性问题。由于这些问题的存在,刷直流电机往往成为机器人设计中最不具吸引力的选择。
无刷直流电机出现在19世纪60年代,由于两方面的发展,一是出现了坚固、体积小、成本低的永久磁铁,二是出现了体积小、效率高的电子开关(通常为MOSFET),切换流向绕组的电流。电子方向取代了有刷电机的机械方向控制磁场的切换,周围固定的切换线圈和旋转芯的磁铁之间的相互作用取代了有刷电机的机械方向,即利用磁场和电场之间的相互作用。通过改变MOFSET的开关频率,可以控制马达的速度。此外,与有刷电机相比,其电机控制器可以更好地控制电机的性能。
更精彩的是,高级算法如PID(比例-点-微分)校正算法或FOC(磁场定向控制,有时也称为矢量控制)控制算法可固化在电机控制器中。这使理想的马达操作符合实际负荷和负荷变化,使马达的性能更加强大和正确。例如,电机控制算法/程序可以考虑转子惯性等相关因素,使电机驱动器适应,逐渐减少机械因素造成的错误。这种算法可以正确控制加速度和扭矩。
与有刷电机相比,无刷电机(BLDC)需要更复杂的控制电路,但可以表现出更好的性能。通常,BLDC马达需要设置霍尔效应传感器、光学编码器、反电动势检测器等位置反馈传感器。
机器人常用的另一种BLDC马达是步进马达,此时使用开关式电磁铁,位于永磁环中央磁铁旁边。步进电机不是通常的旋转,而是通过不断旋转的轴,逐渐提高旋转速度,可以实现某个角度的旋转或持续旋转。步进电机具有可重复的运动控制,必要时可返回以前的位置。
步进角度范围为1.8°(200步/旋转)至30°(12步/旋转),步进角度和步数取决于电机持有的永久磁铁的数量,但该范围以外的值也可以实现。
步进电机在通电但没有步进方向的情况下,可以维持在原来的位置的步进电机在低rpm中提供高扭矩。让步进电机旋转最直接的方法是有序地切断电磁铁,但这可能会带来振动和振动。无刷电机和步进电机的应用领域有部分重叠。步进电机更适用于需要精确的进退动作(如拾取和配置)的应用领域,而不是需要长时间持续旋转的领域,也适用于不需要电机提供高扭矩和速度的小应用领域。另外,步进电机对能源效率的要求也低于无刷直流电机。除了这里列出的马达,还有很多其他类型。马达系列多而复杂,分支多。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)的结合体。它具能效高、单位小体积相对密度高、扭矩重量比、响应时间快、控制方便等特点,但价格相对较高。
机器人运动系统不仅包括电机,还包括三个主要功能模块。
1.实时控制器表现为以下三种形式。
作为普通用途、运行运动-控制固件的快速计算处理器
应用于控制、DSP的FPGA
专用控制器和内置算法的专用控制器IC电路。
2.一个或多个级别连接的驱动层,将低层信号从控制器输出中取出,然后输出控制电子设备切断所需的高电压/电流。
3.MOSFET(或IGBT或双极晶体管等其他开关设备)控制电机绕组的电流。
具体MOSFET的选择主要取决于电机和绕组所需的电流和电压大小。MOSFET型号确定后选择驱动器,MOSFET驱动器的选择可能需要由MOSFET的额定值决定的一系列升压驱动器,具体取决于MOSFET的尺寸。
选择控制器时可能遇到的问题。
控制器型号的选择也有战略性,需要在选择具体的供应商和型号之前决定。选择只使用电机控制的通用处理器、具有高计算能力的FPGA、专用控制IC电路(通常来自特定的电机控制供应商)时需要考虑的地方很多。设计师需要考虑以下因素:
你需要什么复杂的控制算法,I/O口是多少?
谁提供控制算法和代码:IC供应商、第三方合作伙伴还是无关第三方开发人员?他们如何确认和验证马达及其应用性能?
你需要多少用户编程能力?即使是专用且不需要编程的控制器,也要求用户选择算法类型、闭环控制模式。
(位置、速度或加速度),需要设置操作参数。
马达和应用有独特的属性吗?如果答案是肯定的,选择可编程集成电路会更好。相反,如果不需要修改算法,最好选择具有硬连接、固化算法的专用IC,而不是完全可编程的IC。
控制器需要支持多种电机型号吗?即使是同一种类型,控制器只支持该型号中的某种尺寸的马达还是一系列尺寸范围?
供应商提供多少技术支持?他们有什么实际开发的马达经验?他们是否提供控制IC和MOSFET驱动器之间的接口电路的具体参考设计
是否有监督问题需要注意例如,授权的能效评估。
(很多电机APP现在都要满足各种绿色环保要求)。如果是,供应商是否了解这些问题,他们的零部件和算法是否满足这些要求?
开发套件展示控制器和接口性能。
对于很多工程师来说,将所有部分——包括具有固化或独立算法的控制器、驱动器、MOSFET等——融合在一起,是需要多部门协助完成的任务,不想从零开始的任务。因此,许多供应商提供包括控制器、例子算法、驱动器和MOSFET的评价板甚至完整的套件。例如,FreescaleMTRCKTSPNZVM128三相无传感器PMSM套件采用无传感器电机控制技术驱动三相BLDC或PMSM电机。该套件设计通过微控制器集成ADC模块支持使用反电动势迅速进行原型设计和评价。此外,该套件(具有MC9S12ZVML12微控制器)还可配置为基于传感器评估使用霍尔传感器或分析器的操作。
随着技术的进步,改善电机控制和传感带来的正确执行将创造新的机遇、机器人。


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