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机器人执行特定的，明确定义的任务，如装配线工作，手术辅助，仓库交付/检索，甚至清除地雷等任务。今天的机器人可以处理高度重复的任务以及需要灵活定位和动作的复杂功能（图1）。随着技术的进步，速度和灵活性的提高，成本下降，采用率也会提高。我们正在接近工业的拐点，因此使用机器人的成本效益优于劳动力。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应用。
图1： 机器人技术现在经常用于各种应用，从小型贴片机到大型自动装配线，它们可以提升，放置，安装甚至焊接零件和子组件。（来源：IStockPhoto.com） 由于以下原因，技术的进步使现代高性能机器成为可能： - 先进的传感器
- 计算能力和算法，实现实时决策和行动
- 具有速度，精度和机械功率的电机可以完成日益复杂的任务。
每个都在机器人设计中发挥着至关重要的作用，因为技术进步和它们之间的协同作用迅速建立起来。 传统上，管理电机对电子工程师来说是一个挑战，因为许多问题与更熟悉的电子设备有所不同。幸运的是，技术使这些问题更易于处理，同时还能实现令人印象深刻的性能。例如，德州仪器（ti）的DRV8816双半桥电机驱动器集成了内部保护功能和低功耗休眠模式，可实现极低的静态电流消耗。高度集成的控制器和驱动器指向电子和电机所实现的灵活性和集成度。 选择电机设计人员在选择特定电机类型和型号时需要考虑三个主要参数： - 最小和最大电机速度（以及相关的加速度）;
- 电机可提供的最大扭矩，扭矩与速度曲线;
- 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，电机选择还涉及许多其他性能因素，还有尺寸，重量和成本因素。对于几乎所有小到中等大小的机器人执行器，为执行器供电的最常见选择是有刷直流，无刷直流（BLDC）和步进电机。（但是，在某些情况下，气动和液压是最佳选择。） 有刷电机是最古老的直流电机技术，是最简单，最便宜的选择。电动机转子的旋转通过与转子接触的载流电刷将绕组的磁场切换（整流）在转子周围。电机速度是所施加电压的函数，因此驱动要求最小，但是难以管理扭矩。由于刷子磨损，它们也存在可靠性问题，可能需要维护以进行清洁，并且是电噪声（EMI）的来源。由于这些原因，在大多数情况下，有刷直流电机是机器人技术中最不吸引人的选择。 无刷直流电机（图2）是在20世纪60年代出现的，由于坚固，小巧，低成本的永磁体和小型高效的电子开关（通常是MOSFET）可以切换到绕组的电流，因此对有刷电机进行了改进。“电子换向”取代了实际接触电机的电刷的需要，从而打开和关闭磁场。因此，利用了磁场和电能流之间的关系。通过改变MOSFET的开启和关闭速度来控制电机速度。此外，电机控制器比电刷电机更严格地控制电机性能。
图2： 在无刷电机中，线圈电流在定子绕组中电子切换，同时它们的磁场与转子上的永磁体相互作用。在此图像中，缺失的转子属于中心。（来源：Microchip AN885） 但是，使用这些电机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，有时称为矢量控制）等先进算法可以嵌入到电机控制器中。这使得所需的电机操作与负载和负载变化的实际情况相匹配，从而提供增强的，更准确的性能。例如，电机控制算法/程序可以解释转子的惯性，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设备，但可以提供更好的性能。BLDC电机通常需要通过霍尔效应传感器，光学编码器或反电动势感应进行位置反馈。 在机器人中经常使用的一种特定类型的BLDC电动机是步进电动机（图3），其使用围绕中心芯布置的开关电磁铁，该中心芯排列有永磁体环。步进器在正常意义上不会“旋转”; 相反，轴被引导以有限的，逐步的增量（步骤）移动，因此可以指向仅转动完整旋转的一小部分以及连续旋转。步进器具有非常可重复的运动控制; 如果指示这样做，步进器可以返回到之前的位置。 “阶梯”角度通常小至1.8⁰，在360°（一转）内产生大约200步移动。30⁰超过360⁰的步进角产生每转12步（12×30 = 360）。步进角或每转的步数取决于电动机具有的永磁体的数量，但是可以获得更高和更低的值。
对于步进电机，如果电源保持“接通”但没有指向踩踏，则它们保持其位置。步进器可在低转速下提供高扭矩。导致步进器移动的最直接方法是依次打开或关闭电磁铁，但这可能导致抖动或振动。 BLDC和步进电机之间存在应用重叠。步进器更适用于需要精确前后运动的应用，例如拾取和放置，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。此外，步进电机不如无刷直流电机那样节能。 还有许多其他电机选项。用于电机的家谱谱长而复杂，有许多兄弟姐妹和堂兄弟。例如，永磁同步电动机（PMSM）是无刷DC电动机（相对于转子）和AC感应电动机（相对于定子结构）的组合。它在小型封装中具有高效率，相对较高的功率，高扭矩/重量比，快速响应时间，并且相当容易控制，但成本高昂。 控制需要精细机器人运动系统不仅仅是一个电机; 它由三个主要功能块组成： - 实时控制器，可以通过以下三种方式之一实现：
- 一种通用，计算速度快的处理器，运行运动控制固件
- 面向DSP的FPGA，用于控制应用程序
- 具有硬连线嵌入式算法的专用控制器IC。
- 一个或多个串联驱动器级，用于从控制器输出获取低电平信号，并将它们与电子开关的更高电压/电流需求接口。
- MOSFET（或其他开关元件，如IGBT或双极晶体管），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，要导通和关断的MOSFET 需要一个驱动器，而驱动器又取决于MOSFET的额定值。实际上，根据MOSFET的尺寸，可能需要一系列升压驱动器。 选择控制器时要问的问题选择要用于所有这些的控件类型是在选择特定供应商或模型之前应该做出的战略选择。这是因为在决定使用非常适合电机控制的通用处理器，计算友好的FPGA或专用控制IC（后者通常来自专门的运动控制）时，需要进行许多权衡。供应商）。设计师必须考虑的一些要点包括： - 您需要什么级别的控制算法复杂性和复杂性，以及I / O多少？
- 谁提供控制算法和代码：IC供应商，与他们合作的第三方，或无关的第三方？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？即使是专用的非可编程控制器，用户也可以选择算法类型，闭环控制模式（位置，速度，加速度）和设置操作参数。
- 电机和应用是否具有独特的属性？如果是这样，可编程IC可能会更好。如果有不断要求修改算法怎么办？在这种情况下，具有硬连线嵌入式算法的专用IC可能比完全可编程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，它是一种类型的电机尺寸，还是一系列尺寸？
- 供应商提供什么级别的技术支持？他们实际的动手运动经验是什么？它们是否提供经过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？
- 是否存在需要注意的监管问题，例如强制性效率（许多电机应用现在必须满足各种“绿色”标准）？如果是这样，供应商是否了解并满足它们的组件和算法？
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 - 是一项多学科任务，而且他们不想“重新发明轮子”。因此，许多供应商都提供评估板或完整的套件，包括控制器，采样算法，驱动器和MOSFET。一个例子是恩智浦MTRCKTSPNZVM128三相无传感器PMSM套件，用于使用无传感器电机控制技术驱动三相BLDC或PMSM电机。这个相当复杂的套件旨在通过使用MCU集成ADC模块的反电动势感应实现快速原型设计和评估。或者，可以将相同的套件（具有MC9S12ZVML12 MCU）配置为基于传感器，以便使用霍尔传感器或旋转变压器评估操作。 随着技术的进步，包括通过改进的电机控制和传感的精确驱动创造了新的机会，机器人技术有着令人振奋的未来。传感，控制和电机是创新将继续塑造机器人如何随着技术创新不断发展而变化的关键领域。
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