相比如何選擇mos管和驅動器,控制器型號的選擇也很富有策略性,并且需要在對具體供應商和款式的選擇之前作出決定。這是因為在選擇是使用一個僅作電機控制的通用可編程處理器,還是使用一個高計算能力的FPGA,抑或是使用一個專用的控制IC電路(后者通常出自特定的電機控制供應商)時有許多需要權衡考慮的地方。設計師需要考慮的一些點包括:
?你需要何種復雜度的控制算法,有多少I/O口?比如說,FOC控制算法涉及多重并行計算的復雜轉換,因而需要高級功能模塊(圖6)。
圖6:高級電機控制途徑如場向控制需要多重數字轉換,并且需要同時擁有一個高速內環及低速外環控制。(圖片來源:Altera)
?如果使用一個通用可編程IC或者FPGA,誰來提供控制算法及代碼:是IC供應商,還是第三方合作伙伴,還是不相關的第三方開發者?他們如何確認并驗證電機及其應用的性能?
?如果使用一個專用預編程控制IC,那會不會提供所有我們需要的功能和特點?
?你需要或想要多少用戶編程能力?即使是專用的、不需要編程的控制器,也會要求用戶去選擇算法類型、閉環控制模式(位置,速度,或加速度),并且需要設置一些操作變量如時間常數和可允許誤差范圍等。
?有改變和修改基本算法的需要?或者電機和應用有獨特的屬性要設置嗎?如果答案是肯定的,那選擇可編程IC會更好。相反,如果有需要不斷修改算法的擔心,這種情況下,相比完全可編程的IC,選擇帶有硬連線、固化算法的專用IC會比較好。
?控制器需要支持一種還是多種電機型號?即便是同一種,控制器是只支持該型號中某種尺寸的電機,還是支持一系列范圍尺寸?
?供應商提供何種程度的技術支持?他們有多少實際動手開發的電機經驗?他們會不會提供曾經搭建且驗證過的具體參考設計,包括控制IC和mos管驅動器間的接口電路?
?是否有一些監管問題需要注意?如授權能效(許多電機應用現在必須“綠色”環保要求)。如果是,供應商理解這些問題嗎,并且能以他們的元器件和算法滿足這些要求嗎?
芯片和電路板實例顯示控制器、接口性能
對于許多工程師來說,將所有的部分—包括帶有固化或獨立算法的控制器、驅動器、還有MOS管等融合到一起,這將是一個多學科任務,一個他們不想“從零開始”的任務。出于這個緣由,許多電機控制IC供應商提供包含了控制器、算法、驅動器和MOS管的評估板甚至是完整的可交付板。
舉個例子,Applied Motion Products公司1240i是款可編程的步進電機驅動器,適合在一系列的動作控制應用領域使用(圖7)。它有一個集成了50瓦細分控制放大器的復雜控制器,可以和步進電機直接相連,能提供高達1.2安的可編程電機電流,速度能達50轉/秒。
圖7:來自Applied Motion Products公司的1240i型可編程步進電機驅動器是個完整電機控制體,并且能被PC上的終端應用設置引導,或者經過配置后,用作獨立的控制器(圖片來源:Applied Motion Products)
不同的改動可適用于處理不同版本的標準步進電機和不同的接口。使用供應商提供的動作控制開發包和一臺標準PC機,用戶可通過編程來把這塊板配置成一個獨立的動作控制器。該板也能被主機或可編程邏輯控制器(PLC)實時控制。
機器人有光明的前景。傳感、控制和電機這些關鍵領域的革命將持續影響機器人技術的變革。
使用流體動力?
使用壓縮流體是使用電機外機器人動力的另一選擇。壓縮流體有兩種形式:基油液壓和基于空氣的氣動。基于液壓的動力在大動力應用中有很長的歷史,比如掘土設備,并且由于原理簡單,其很長一段時間被用在早期自動組裝線機器人上。然而,液壓促動器需精心集成液壓設計和元件的電子控制單元,同時還要加上一個電力供應壓縮機/泵。更糟糕的是,由于不可避免的密封泄露問題、維修(同時需要電子和液壓技術人員)的復雜性、泄露帶來的環境后果等等因素,使得液壓傳動成為萬不得已的選擇,或者說有對環境噪聲(EMI或RFI)敏感的擔憂時,我們可以使用它。
另外一些低動力的應用中,我們使用壓縮空氣的方法,特別是擔心受到EMI/RFI和ESD影響的時候。基于氣體的系統沒有潛在的液壓流體的問題,但是他們不能在既定體積下提供足夠的動力,因此壓縮空氣所需的供應線相對比較笨重。和基油液壓傳動一樣,氣動系統也存在泄露問題,而且很難定位出泄露點,并且需要多學科的知識來設計、安裝和維修。盡管如此,它們仍是在只需要滿足基本、快速和來回動作等要求時的可行選擇。
由于強動力電子電機和它們控制器的不斷發展,許多先前使用液壓的應用已經被更新換代了,除非有其它可信的技術原因來維持使用液壓。對于新的設計,特別是小到中型機器人設計情形時(甚至是一些大型機器人的設計),首選使用電子控制和電子電機。這并不意味著液壓系統已經過時了,因為在高速度,高沖擊,高動力沖擊領域,對于液壓與氣壓仍有需求。金屬鍛造站沖壓(液壓)和航母啟動彈射器(蒸汽和空氣)就是很好的實例。
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