关于电机控制技术给机器人带来的影响分析

更妙的是，高级算法如PID（比例-积分-微分）校正算法或者FOC（磁场定向控制，有时也称之为矢量控制）控制算法能被固化到电机控制器中去。这使得理想的电机操作和负载及负载变化相匹配，从而强化电机性能。这些算法可以考虑到如马达惯性等相关因素，并且使电机驱动器适应由于机械因素如隙或其它来源导致的错误。利用这样的算法使精确控制加速和扭矩曲线以及设置速度成为可能。

与有刷电机相比，无刷电机虽需更复杂的控制电路但却可以表现出更优的性能。通常BLDC电机需要配备一个反馈传感器，比如霍尔效应器件，光学编码器，或者反电动势检测器件。（注意，通过获取传感反馈，传统有刷电机也能达到高级控制的效果，但内部设计和机电问题还是会影响电机性能。）

另外一个无刷选择是步进电机（图4），此时用到开关的电磁铁，电磁铁安置在中间磁芯环旁。通常步进的角度范围为大约1.8°（200步/转）至30°(12步/转)，取决于永磁铁的个数，这个范围之外的值也是可以实现的。

图4：步进电机中使用环绕在永久磁芯周围的环形电磁极；通过改变这些电磁极的通电顺序，电机可以产生转动力。（图片来源：Microchip Webinar）

通常来说步进电机并不转；取而代之，是轴一步一步定向移动，继而可被引导来转动完整旋转的一小部分，或者进行连续旋转。如果通电却没有步进指向，它们会维持在原位置；步进电机能以低rpm提供高扭矩。让步进电机转动最直接的方法是有序通断电磁铁，但这可能会带来抖动或振动。为了在某些不能容忍上述问题的情形下避免它们，一些高级的控制器支持了细分步进，此时绕组也按如此方式通电，这会使步进动作更加流畅，当然也比简单的通断控制更有持续性。

在无刷电机和步进电机的应用领域之间有重叠部分。步进电机更适合于需要精确的进退动作，如捡拾和安置的应用领域，而不是需要长时间持续转动的领域，也适合于小的应用领域如不需要电机来提供高扭矩或速度的领域。另一方面，步进电机没有无刷电机能效高。

还有许多其它的电机可供选择。电机的系列很多并且复杂，有很多的分支。例如，永磁铁同步电机（PMSM）是无刷电机（相对于转子）和交流感应电机（相对于定子结构）的结合体。它显示出了高能效、小体积中相对功率高、高扭矩重量比，快速响应时间还有相对容易控制等等特点，但价格相对也比较高。

控制需要技巧

一个电机自身，甚至加上基本的电机电流控制部分，并不能构成一个机器动作系统，机器动作系统的组成包含三个主要功能模块（图5）：

1.实时控制器，表现为以下三种形式：一是作通常用途、运行着动作-控制固件的快速计算处理器；二是应用在控制方面、面向DSP的FPGA；三是带硬连线和内置算法的专用控制器IC电路。

2.一个或多个级联的驱动层，以把低层信号从控制器输出中取出，然后输出控制电子器件通断所需要的高电压/电流。

3.MOS管（或者其它开关器件如IGBT或者双极型晶体管），其真正控制了流向电机绕组的电流。

图5：一个完整的电机控制链中包含用作算法执行和计算的智能控制器。控制器的输出送到MOS管驱动级，继而反过来控制电机的电源开关——MOS管；许多应用中也存在着一个反馈回路，可以提供机器人的实时位置信息，因而也能被用来改变速度和加速度。（来源：Bill Schweber）

选择元器件时，具体MOS管的选取首要取决于电机和绕组所需的电流和电压大小。尽管有成千上万种MOS管可供挑选，最终的选择往往由电机的这些额定值所决定（当然价格也是个很重要的考虑因素）。

一旦MOS管型号确定下来了，MOS管驱动器的选择则由MOS管的额定值所决定；如果额定值很大，那可能需要一系列驱动组，取决于MOS管的尺寸。和MOS管本身的选择一样，驱动器的选择很大程度上取决于通断MOS需要多大的电压和电流。（注意此时在“驱动器”这个术语上有模糊和重叠性，因此请仔细查阅数据手册；一个“驱动器”可能指用来驱动MOS管的模块，也可能指“驱动”电机线圈的MOS管。或者更进一步，在某些芯片上“驱动器”IC同时包含了MOS管和它们的驱动器。）