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機器人與馬達控制
 

【作者: Mouser】   2013年04月23日 星期二

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機器人不能因為熱能的產生而停下組裝印刷電路板的動作,它們必須持續地移動,這就是精密的馬達控制所發揮的作用。


依據不同的功能應用,會創造出迥異的馬達與控制電路的類型。為了提取重物而設計出的機器人,可能會採用不需要精密控制速度或定位的高扭力AC感應馬達。


另一方面,機器人手術則需要極為精密地控制速度與定位。通常會使用無刷直流(BLDC)伺服馬達,再加上閉路式定位回饋以提供精密的控制,或使用包含大量極數的步進馬達,才能達到手術等級需求的準確度。


BLDC馬達

典型的BLDC馬達需要精密的電子控制電路以及持續判斷轉子位置的一些方法。轉子的位置可透過霍爾效應感測器來判斷,或是在轉子旋轉時,測量每個電樞線圈Back-EMF中的變化。有刷直流馬達的速度由施加的電壓決定,而BLDC馬達的速度則是由切換的頻率決定。如圖一所示,馬達是由PWM脈衝所驅動的。



圖一 :  PWM驅動BLDC馬達
圖一 :  PWM驅動BLDC馬達

BLDC馬達有三種基本類型:單相、雙相及三相,每一種類型的運作原理都相同,不是藉由機械式的電流變向器來改變轉子線圈的磁極性,而是利用電晶體持續改變定子線圈的相位來保持馬達轉動。在低功率的應用中經常可看到單相BLDC馬達。雙相馬達則比較常在中功率應用中看到。三相BLDC馬達通常用於驅動磁碟機及DVD播放機。如表一所示,每種馬達類型皆有不同的特性及最適合的特定應用。


BLDC馬達特性

單相

雙相

三相

成本

良好

極佳

尚可

安靜

良好

尚可

極佳

效率

良好

尚可

極佳


步進馬達

並非所有應用都需要讓馬達自由地旋轉。步進馬達以有限的增量旋轉轉子,並希望轉軸停止不動,直到再次開始動作。步進馬達沒有刷或接點,是同步的直流馬達,具有以電子方式切換的磁場以旋轉電樞磁鐵,將數位脈衝轉換為機械的軸心旋轉動作,相當於機械版的DAC,將數位步進轉換為類比的角度位移。


步進機是同步的直流馬達,將完整的旋轉區分為離散數量的步進,步進或「相位」的數量與安排在中央齒輪形核心四周的電磁鐵數量相同。控制傳送至這些磁鐵的電流,即可將馬達轉動至精確的角度。


步進馬達通常是由每個線圈一個的H-bridge驅動,輸出則是由PWM控制,如圖二。旋轉角度與脈衝數量呈等比例,旋轉速度與脈衝的頻率呈等比例。



圖二 :  含H-bridge驅動器的簡易步進馬達
圖二 :  含H-bridge驅動器的簡易步進馬達

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(本文由Mouser提供)


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