机器人可以选择无刷直流或BLDC发动机的几个因素.
对于机器人手臂或移动机器人,选择无刷直流电机或BLDC电机从机械系统开始,而不是控制器目录.为特定电压和瓦特级的电机不会告诉工程师是否可以以低速度提供所需的扭矩,准确调节位置,吸收再生能量,或生存热功率周期.
其他 动机 发动机,逆变器,电流传感器,旋转位置反,变速箱,车,输出编码器,热路径,通信接口和更高水平的机器人软件都影响了结果.
一个 工业 或 合作 机械臂 关联通常优先考虑可控制的扭矩,低速度的流性,位置精度,碰撞响应,后驱动性和热性能.移动机器人 驱动机通常更重视效率,启动扭矩,制动,引力,电池使用,速度调节和驱动通道之间的同步.
该术语也值得注意.商业机器人文献经常使用BLDC和PMSM (永久磁铁同步引擎) 一点相交换,因为这两种都是由电子逆变器驱动的三相,永久磁铁机器.它们的后面EMF波形,卷曲设计,控制器算法和反方法仍然决定了特定引擎的行为.
例如, 微电力学 将三阶段BLDC和PMSM控制视为相关的应用领域,并描述了六阶段和现场导向的控制架构.
从机械负载开始,而不是控制器目录
第一个选择练习是确定发动机实际上需要做什么.对于轮机器人关节,有用的第一级关系是: τ_joint = (τ_motor × gear ratio × η_gear) − τ_loss
发动机的速度按照输送比率: ω_motor = ω_joint × gear ratio
机械功率为: P_mech = τ × ω
而电池侧电源的第一个近似是: P_elec ≈ P_mech / η_total
这些方程不取代一个动态模型,但它们暴露在一个 控制器 考虑因素包括连续扭矩,峰值扭矩,峰值持续时间,加速扭矩,重力扭矩和反射惰性.此外,应确定再生制动,停滞或停滞附近的操作,工作周期,热阻力,电池电压范围以及电缆和连接器电流限制.
对于机器人手臂,负载计算必须考虑链接惯性,负载,重力补偿,变速箱比,反响,合规性,反权衡和编码器位置. 机器侧编码器可以准确报告旋转位置,而联合输出仍然包含传输错误.
对于移动机器人来说,同等的练习始于车辆质量,车轮半径,滚动阻力,斜率,加速,地形,车轮滑动和驱动配置.其他类型) 也可以花在高负载运行中比轻型室内运行更长的时间 交货机器人.
在减速或下坡旅行中,发动机可以将能量返回DC公交车.电池,控制器,制动策略和公交车的容量都必须适应这种能量.一个正确处理加速的控制器仍然可以在积极的再生制动过程中造成电压过剩问题.
根据运动质量选择交换方法
六步,鼻状和面积导向的控制不是同样的行为的可替换标签.
六步或拖式交换可以根据轮子位置通过六个电气状态切换逆变器.在实施简单度和成本问题或扭矩波动可接受时,它可以具有吸引力.当发动机在适度或高速度运行时间的大部分时间中,而精确的低速度扭矩不是一个中心要求时,它也可以适合.
与简单的形策略相比,它可以降低扭矩波动和声学效应,尽管实际性能取决于电动结构,反,电流调节和调节.
通过将测量的相流转化为旋转的参考框架,将该控制问题进一步解决.克拉克转化将三个相数转化为静止的两轴表示,而公园转化将该表示转化为 其他 轴和 轴部件
然后控制器可以通过电流循环独立调节组件,然后将命令转换为阶段电压并产生脉冲宽度调节 (PWM).
在典型的PMSM应用中, 轴电流与扭矩生产密切相关,而 其他 轴电流可用于流动相关的控制,并且在更高的速度下,可以使场变弱. 技术技术动机控制参考材料说明了克拉克和帕克转换,PI调节器,位置和速度循环以及空间向量PWM的实际结构.
当应用需要平稳的低速度运动,快速扭矩响应或精确的速度调节时,FOC通常具有吸引力.它也可以帮助降低扭矩波动,再生制动,现场减弱或对阻力和强力相关行为的扭矩控制.因此,FOC可以适合许多机器人关节和拖动应用.
FOC 没有自动创建精确执行器.旋转角度精度,电流感觉质量,发动机参数识别,采样时间,逆变器停机时间,循环带宽,机械传输和调整都会影响最终结果.一个高度复杂的算法无法弥补一个错误排列的编码器或具有重大机械错误的变速箱.
选择反架构
反选择与交换算法一样重要. 霍尔效应传感器,增量编码器,绝对磁编码器,光学编码器,解析器和无传感器估算都解决了不同的问题.
房间 传感器 提供相对粗的旋转位置信息,通常适用于电子交换和基本的速度控制.它们可以用于成本敏感的移动平台,而控制目标不需要精细的位置信息.
增量编码器提供了更多的位置信息,并且广泛用于伺服控制.绝对编码器添加了一个明确的位置参考,当机器人必须在启动后立即知道联合位置而不执行定位序列时,这可能是有价值的.
光学编码器可以提供高分辨率,但需要适当的机械和环境保护.磁编码器可以提供紧的包装和对某些污染环境的耐受性.电气和机械强度重要的地方,分辨器仍然很重要.
传感器的位置与其分辨率同样重要.一个发动机侧编码器测量了发动机位置.使用减速变速箱,输出位置也取决于变速比,反响,合规性,扭曲缩,轴承变形和传输错误.如果这些错误对任务产生重大影响,一个输出侧编码器可以关闭实际联合位置周围的控制循环.
这并不意味着每个机器人关节都需要双码器. The Robot Report 之前已经覆盖了使用集成的执行器架构 服务器 驱动器和双绝对编码器,说明编码器的配置随着执行器尺寸和性能要求的增加,为什么成为系统级设计问题.
无传感器BLDC控制消除了位置传感器及其电缆,从而降低了成本和包装复杂性. 微芯片 只有在零和非常低的速度下很难获得后面的EMF信息,因此启动和重负载的低速度操作需要适当的策略.
因此,无传感器控制可以在操作配置给估计器提供足够的信息的应用中有用,但不应被视为普遍合适或不合适.
控制器与机械臂相匹配
简单的机械臂联合可以在应用程序主要需要速度或基本位置控制时使用BLDC发动机和Hall传感器和外部控制器,并且可以容忍相对粗的旋转反.这种架构可以直接运行和服务,但可实现的运动质量严重取决于发动机,变速箱,传感器分辨率,控制器功能和更高水平的反.
一个更苛刻的机器人关联通常使用一个基于编码器的FOC 伺服驱动器的BLDC或PMSM.驱动器可以在本地运行快电循环,速度和位置循环在上面.机器人控制器则命令所需的操作变量,而伺服驱动器则处理高速电控.
这种架构使扭矩控制变得实用,为位置,速度,阻力和碰撞响应策略提供了基础.启动也变得更加涉及.编码器对齐,方向,电流感觉极度,电流循环调节,速度循环调节,位置循环调节,故障门和制动时间都成为集成任务的一部分.
综合机器人执行器组合了部分或全部的发动机,变速箱,编码器,驱动电子,车,温度传感和通信接口.吸引力显而易见:更少的单独组件,更短的线程,紧的包装,以及执行器和机器人控制器之间的定义接口.
工程交易转向热量排斥,可用性,固件可见性,替换策略以及依赖执行器供应商.
The Robot Reports 覆盖范围 专为机器人结合而开发的BLDC电动机是机器包装和性能要求在动机层面越来越多地被考虑在一起,而不是作为单独的电动组件.
对于任何手臂,选择审查应涵盖每个关节的峰值扭矩,保持零速度的扭矩,制动要求,后驱动性和碰撞检测,扭矩估计精度和编码器放置.它还应涵盖变速箱效率,热浸水,电缆路由,机械合规性,紧急停止行为,安全扭矩禁用或相等安全功能.
控制器与移动机器人相匹配
移动机器人的BLDC动机控制 因为轮子既是驱动力,也是与环境接触的.
差异驱动器 自主移动机器人（AMR） (苏格兰) 需要两个驱动通道,以足够准确地跟踪指令的速度,以保持稳定的运动和导航.轮速反也直接有助于距离测量.当本地化,同步,精确的停靠或拖动控制需要比霍尔通勤信号提供更多信息时,更高分辨率的编码器变得有价值.
四轮平台带来了额外的问题.轮速匹配,机械加载,方向性或差异效应,轮滑都会影响控制.户外UGV增加水,尘埃,温度变化,粗的地形,更高的惯性负载和更长的持续功率期.
电池 控制器的行为也会改变控制器的决定.在加速下压力下降会减少可用的电动头部空间,而再生制动可以提高直流公交电压.一个围绕名电池电压设计的控制器因此需要在整个电池运行范围上进行评估,而不是在一个名值.
热设计是另一个区别. 车轮或紧底盘内置的驱动器可能具有有限的空气流量. 逆变器,电机轮,轴承,连接器和机械结构都成为热路的一部分.
苏格兰为AMR的伺服级推进驱动列车说明了这一系统级关系.它们的特征包括流的旅行,倒车可行性,扭矩密度,硬度和辐射负载支持.教训不是每个移动机器人适合一个传输,但推进控制不能与驱动列车分开.
移动操纵器 让区别变得更加明显. 结合 一个机械臂和一个移动机器人共享了一种功率和控制架构.基础的驱动要求与臂部的要求保持不同,尽管两者最终都包含电动驱动器.
评估电流感知和热行为
控制器电流评级需要仔细解释.数据表可能列出连续相流,连续巴斯电流,峰期相流,峰期电流,RMS电流或可配置电流限制.这些数字不能交换.
发动机的热极限,逆变半导体极限,连接器评级,电缆评级和电池能力都可能低于标题峰电流规范.因此,具有较大的峰电流的控制器不会自动适合需要持续电流的发动机.
蓝月亮.com 它提供了工程师在控制器选择中遇到的规格类别的有用商业例子.目前的控制器目录列出了多个控制器家庭中的不同输入电压范围和电流评级,而单个产品描述了接口和保护功能.
这些规格说明了为什么工程师应该比较电压范围,电流定义,持续时间,反兼容性和保护功能,而不是简单地比较瓦特.
必须考虑热路径.发动机曲损失必须通过其结构和安装配置离开发动机.功率阶段损失必须通过其围,热接口,热水槽,空气流或安装结构离开逆变器.在实际工作周期下的热测试比仅依赖于短暂的卸载基板测试更有信息性.
考虑通信和软件层
驱动器控制器通常负责最快的控制循环.机器人控制器不需要计算每个PWM过渡.相反,驱动器可以在本地执行电流调节和通勤,同时接收更高水平的扭矩,速度或位置命令.
在选择驱动器之前,工程师应检查CAN或CANopen支持,EtherCAT支持,RS 485或UART,模拟和PWM输入,编码器接口,反更新速度,命令延迟,故障报告,固件更新程序,参数存储,多轴同步, 苏格兰 2,或机器人操作系统_control集成,以及适用的CiA 402支持.
CANopens CiA 402 配置文件标准化了伺服驱动器和其他驱动器的功能行为 苏格兰 设备,包括操作状态和命令/状态结构. 当选的硬件实际实现所需的配置文件时,这可以简化互操作性.
当同步的多轴运动和确定性定时是核心要求时,EtherCAT变得具有吸引力.其分布式钟架构允许参与设备同步其本地定时.
机器人操作系统 2 集成是与物理巴士的单独考虑.机器人操作系统_control通过命令和状态接口表示机器人硬件,并提供了连接控制器到物理执行器的框架.控制器经理还强调确定性控制循环执行,表明为什么单独的通信可用性不能保证实时行为.
把安全视为一个体系结构,而不是一个检查盒
电动控制器应对过电流,短路,过电压,低电压,过温度,超速,编码器故障,道故障,相损,停滞检测,制动控制,通信损失,再生电压上升,意外重新启动,紧急停止行为以及安全的扭矩关闭进行评估.
这些函数不会自动相当于一个完整的函数. 安全性 安全要求取决于机器人类别,风险评估,操作环境和系统设计.
对工业机器人, ISO 10218 1:2025 规定工业机器人安全要求. 标准 ISO 13849:2023 处理与安全有关的控制系统部件的设计,包括软件. IEC 61800 5 2 解决与安全有关的可调节速度动力驱动系统的功能安全考虑因素.
具有超电源关闭或温度传感器的控制器本身不能建立一个认证的安全功能.安全功能必须根据适用的要求设计,验证和集成.
实际的选择工作流程
一个有用的发动机控制器选择过程可以缩小到十个工程步骤.
- 第一步: 定义完整的负载和运动配置,包括加速,减速,负载,地形,重力和工作周期.
- 第二步: 计算在发动机轴上连续和峰值扭矩,并在适用的情况下,在关节或轮子上.
- 第三步: 确定所需的速度,加速,操作范围和再生制动条件.
- 第四步: 定义控制目标:速度,扭矩,位置,阻力或引力.
- 第五步: 根据实际控制目标和机械传输选择反.
- 第六步: 根据运动质量,速度范围,扭矩要求和实施限制,选择六步,鼻状或FOC控制.
- 七步: 检查电压,连续电流和峰值电流,再生,热边缘和电池行为.
- 第八步: 选择机器人架构所需的通信和软件接口.
- 第九步: 定义安全行为,故障反应,车,通信损失行为,重启情况.
- 第十步: 验证完整的发动机,驱动器,变速箱,传感器,制动器和机器人控制器作为一个系统.
BLDC发动机控制选择决策表
| 申请要求 | 首选控制方向 | 主要原因 | 重要限制 |
| 简单的轮速控制 | 传感器六步或简单的闭环控制 | 实施复杂性较低 | 粗的扭矩和位置行为 |
| 高效移动引力 | 有适当反的FOC | 在广泛的操作范围内的良好扭矩和速度调节 | 高级软件和调节复杂性 |
| 低速机器人关节运动 | 基于编码器的FOC | 流扭矩生产和精确的旋转角信息 | 传输和调节仍然限制性能 |
| 高精度的联合定位 | 伺服驱动器与 编码器反,可能输出反 | 位置循环可以解释联合行为 | 更多的传感器,电缆和集成工作 |
| 控制扭矩的协作关节 | 具有适当的扭矩反或估计的FOC伺服架构 | 快速电流/扭矩响应 | 安全性和扭矩精度需要系统验证 |
| 无传感器高速驱动器 | 无传感器交换或无传感器FOC | 消除位置传感器和电缆 | 启动和速度非常低的行为需要仔细的设计 |
| 多轴同步臂 | 网络的伺服驱动器,通常使用确定性以太网 | 协调时间和分布式控制 | 网络和驱动器配置成为启动的一部分 |
| 恶劣的户外 移动机器人 | 封闭循环驱动器与环境选择反 | 更好的速度控制,诊断和拖动管理 | 环境和热设计仍然是系统层面的问题 |
投入使用和验证
控制器不应直接从线程图移动到生产运行.首先,检查阶段顺序和编码器方向.确认Hall或编码器的配线和电流感觉极度.在硬件允许的情况下,在降低电压下运行卸载发动机,然后比较命令和测量速度.
接下来,检查位置错误和电流行为.应用一个控制的机械负载,测量阶段电流和公交电流.在加速,稳定运行和重复循环期间监测电机和逆变器温度.
在控制减速期间,测量DC巴士,并确认电池,制动电路和控制器保持在运行限制范围内.
通信损失测试应验证驱动器在命令停止到达时实际做什么.传感器断电测试应确认故障检测和结果状态.过电流,热保护,紧急停止和制动行为也应在控制条件下进行测试.
最后,在热水浸泡后重复重要测试.在室温下经过几分钟正确操作的驱动器在电机和变压器臂展运行温度后可能会表现得不同.
对于机械臂,这些测试应采用安装的变速箱和代表机制进行.对于移动机器人,它们应包括实际轮子,车辆质量,电池,地形和代表性工作周期.一个未装载的发动机的基板测试仅验证了系统的一部分.
工程师的检查列表
- 连续和峰值扭矩要求是什么?
- 需要的速度和加速范围是多少?
- 目标速度,扭矩,位置,阻力或引力控制?
- 霍尔反是否足够,还是需要编码器反?
- 对于机械传输来说,电动侧反是否足够?
- 六步控制是否提供了足够的运动质量,还是FOC是合理的?
- 电压,电流,再生和热率是否足够?
- 通信界面是否符合延迟和同步要求?
- 传感器故障,通信损失,制动和紧急停车发生什么?
- 在实际机械工作周期下测试完整的动机?
收集合适发动机的标准
正确的BLDC发动机控制架构由控制变量,机械传输,反质量,工作周期,热量限制,能源系统,安全架构和软件集成决定.
对于简单的移动驱动器,传感器的六步控制器可能提供了成本,强度和速度调节的合适组合.一个要求高的机器人关联可能需要基于编码器的FOC,嵌套扭矩,速度和位置循环以及可能的输出侧反.
一个户外移动平台可能需要闭环引力控制,仔细的再生能源管理,环境保护和热量容量,这对小型室内机器人来说是不必要的.
因此,关键的决定不仅仅是哪个BLDC电机控制器具有正确的电压或瓦特级.有用的问题是,是否完整的电机,逆变器,反系统,传输,电源,通信层和安全架构可以在机器人实际运行环境中产生所需的行为.