關(guān)于電機(jī)/馬達(dá)控制技術(shù)的簡要說明
我們大多數(shù)人都很了解科幻小說里的機(jī)器人，但現(xiàn)實(shí)中真正大量增多的是能夠自我引導(dǎo)和遠(yuǎn)程引導(dǎo)的機(jī)器。這些機(jī)器人操作預(yù)先規(guī)劃好的具體任務(wù)，比如組裝線工作，手術(shù)援助，倉庫提貨/檢索，甚至是如排除地雷等危險任務(wù)。如今的機(jī)器人不僅能夠處理高重復(fù)度的工作，還能完成在方向和動作上需求靈活性的復(fù)雜功能。
圖1：如今機(jī)器人被大量運(yùn)用在小的領(lǐng)域如貼片機(jī)、安裝機(jī)器到大的領(lǐng)域如自動組裝線上，它們在組裝線上抬、放置、安裝甚至焊接和組裝零件。（圖片來源：IStockPhoto.com）
這些高性能機(jī)器的實(shí)現(xiàn)得益于以下幾個方面的提升：一是幫助它們“聽”、“看”、“感覺”的傳感器的提升；二是實(shí)現(xiàn)實(shí)時決策及動作的計算能力及算法復(fù)雜性的提升；三是用速度、準(zhǔn)確度和機(jī)械動力來實(shí)現(xiàn)這些決策的電機(jī)的提升。上述的每個方面在機(jī)器人設(shè)計中都扮演了重要的角色，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步以及它們之間的協(xié)同作用都迅速在本身建立。
傳統(tǒng)意義上來看，電機(jī)控制對電子工程師來說一直是個難題，因?yàn)榇藭r要考慮諸多關(guān)鍵問題和我們在常見電子所遇到的有很大不同。幸運(yùn)的是，由于技術(shù)的提高，使得這些問題更容易被理解和處理，同時也使高性能表現(xiàn)成為可能。例如，TI公司DRV8816雙半橋電機(jī)驅(qū)動器已經(jīng)集成了包括短地保護(hù)、高溫報警、高溫斷電等內(nèi)部保護(hù)功能。低功耗睡眠模式關(guān)閉內(nèi)部電路，以達(dá)到非常低的靜態(tài)電流。高度集成的控制器和驅(qū)動器反映了電子和電機(jī)在靈活性和集成性方面所達(dá)到的層次。
從電機(jī)選擇開始
在具體選擇電機(jī)型號時，有三個首要的因素設(shè)計師要考慮：
1.電機(jī)的最小最大轉(zhuǎn)速(還有加速度)
2.電機(jī)可以提供的最大扭矩，還有扭矩和速度曲線的關(guān)系
3.電機(jī)操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時）的精確性和重復(fù)性
當(dāng)然，在選擇電機(jī)時還有許多其它如尺寸、重量還有成本等重要因素要考慮。幾乎對于所有小到中等大小的機(jī)器人驅(qū)動器來說，驅(qū)動器電機(jī)的選擇通常有有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)(BLDC)和步進(jìn)電機(jī)。（然而，某些情形下液壓與氣壓機(jī)是最好的選擇；請看欄目“利用流體動力？”。）
有刷電機(jī)，這個最古老的的直流電機(jī)技術(shù)，是最簡單、成本也最低的選擇（圖2）。由于載流刷與轉(zhuǎn)子間的接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動會切換（轉(zhuǎn)向）圍繞在轉(zhuǎn)子周圍繞組的場。電機(jī)的速度是所加電壓的函數(shù)，因此驅(qū)動要求不高，但管理扭矩和關(guān)聯(lián)位置很難。由于電機(jī)磨損、因刷和彈簧臟了需要清理、并且由于刷和轉(zhuǎn)子接觸時產(chǎn)生的火花可能會成為電子噪聲源(電磁干擾)等因素，驅(qū)動條件也存在可靠性問題。由于這些問題的存在，大多數(shù)情況下，有刷電機(jī)對于機(jī)器人設(shè)計來說是最不具有吸引力的選擇
圖2：在有刷電機(jī)里，導(dǎo)電刷(用銅刷毛或更有可能是石墨塊制作而成)接觸轉(zhuǎn)子上的觸點(diǎn)。隨著轉(zhuǎn)子變向，它會切換周圍線圈電流的極性。(圖片來源：Microchip Webinar)
無刷電機(jī)（圖3）的出現(xiàn)開始于19世紀(jì)60年代，這得益于兩方面的發(fā)展：一是出現(xiàn)了堅固、體積小、低成本的永磁鐵；二是出現(xiàn)了體積小效率高的電子開關(guān)（通常為mos管，但有時候是具有低壓降的雙極型晶體管）來切換流向繞組的電流。周圍固定的切換線圈與旋轉(zhuǎn)芯上的磁鐵間的相互作用取代了有刷電機(jī)的機(jī)械換向。通過精確控制mos管（通常配置在H橋結(jié)構(gòu)）的通斷，線圈上的磁場因此被切換。通過改變mos管通斷的頻率，電機(jī)速度從而可以被控制。另外，通過一個傳感器，電機(jī)控制器能獲取到機(jī)器人的位置，這樣對機(jī)器人的性能上能有更好的控制。
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名稱 |
功能簡述 |
接口類型 |
電機(jī)類型 |
驅(qū)動形式 |
工作最小電壓 |
工作最大電壓 |
最大輸出RMS電流 |
H橋數(shù)量 |
封裝 |
市場 |
pin對pin兼容 |
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低壓6V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷 |
內(nèi)置 |
2 |
6 |
1.2 |
完整H橋 x1 |
SOP8pp |
消費(fèi)電子，玩具，鎖，IR-cut |
L9110 5V |
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低壓6V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷 |
內(nèi)置 |
2 |
6 |
1 |
完整H橋 x1 |
SOT23-6 |
消費(fèi)電子，玩具，鎖，IR-cut |
BL8123 |
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雙通道低壓6V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷或者步進(jìn) |
內(nèi)置 |
2 |
6 |
1 |
完整H橋 x2 |
SOT23-6 |
消費(fèi)電子，云臺控制 |
A3901 |
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12V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷 |
內(nèi)置 |
0 |
12 |
1.5 |
完整H橋 x1 |
DFN8 |
消費(fèi)電子，玩具，鎖，IR-cut |
DRV8837 |
||
|
12V直流電機(jī)驅(qū)動 |
EN/PHASE |
有刷 |
內(nèi)置 |
0 |
12 |
1.5 |
完整H橋 x1 |
DFN8 |
消費(fèi)電子，玩具，鎖，IR-cut |
DRV8838 |
||
|
12V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷 |
內(nèi)置 |
2.5 |
12 |
1.5 |
完整H橋 x1 |
SOP8pp |
消費(fèi)電子，玩具，鎖，IR-cut |
L9110 12V |
||
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雙通道12V直流電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷或步進(jìn) |
內(nèi)置 |
2.5 |
12 |
1.5 |
完整H橋 x2 |
MSOP10 |
辦公，打印機(jī)，玩具 |
LV8548 |
||
|
雙通道12V直流電機(jī)驅(qū)動 |
EN/PHASE |
有刷或步進(jìn) |
內(nèi)置 |
2.5 |
12 |
1.5 |
完整H橋 x2 |
MSOP10 |
辦公，打印機(jī)，玩具 |
LV8549 |
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單通道36V電機(jī)驅(qū)動 |
IN1/IN2 |
有刷 |
內(nèi)置 |
5 |
45 |
2 |
完整H橋 x1 |
DFN8 |
辦公，打印機(jī)，掃地機(jī)器人，吸塵器 |
drv8870 |
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三相直流無刷預(yù)驅(qū) |
PWM/DIR |
三相無刷 |
外置 |
5 |
36 |
外置電流5A |
半個H橋 x3的驅(qū)動 |
QFN28 |
泵，家電，工業(yè) |
A4931，A4938 |
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單相HALL 直流無刷驅(qū)動 |
無 |
單相無刷 |
內(nèi)置 |
2 |
18 |
0.3 |
完整H橋 x1 |
TO94 |
cpu，顯卡，機(jī)箱風(fēng)扇 |
CC6407，CCH477 |
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單相直流無刷驅(qū)動 |
hall |
單相無刷 |
內(nèi)置 |
3 |
30 |
0.8 |
完整H橋 x1 |
TSSOP16 |
電腦，服務(wù)器，變頻器，打印機(jī)風(fēng)扇 |
EUM6898R/S |
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單相直流無刷驅(qū)動 |
hall |
單相無刷 |
內(nèi)置 |
3 |
30 |
0.8 |
完整H橋 x1 |
TSSOP16 |
電腦，服務(wù)器，變頻器，打印機(jī)風(fēng)扇 |
APX9262 |
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