机器人与马达控制

作者：贸泽电子Mouser Electronics

由机器人来装配计算机，其实就是由不同的自动控制装置透过取放(pick-and-place)的动作来处理印刷电路板的组装、包装、甚至是运送的每个环节。在电子世界中，半导体就像是电影明星，吸引所有媒体的目光，但在台下组装它们的，是许多的机器人。机器人不能因为热能的产生而停下组装印刷电路板的动作，它们必须持续地移动，这就是精密的马达控制所发挥的作用。

依据不同的功能应用，会创造出迥异的马达与控制电路的类型。为了提取重物而设计出的机器人，可能会采用不需要精密控制速度或定位的高扭力 AC 感应马达。

另一方面，机器人手术则需要极为精密地控制速度与定位。通常会使用无刷直流 (BLDC) 伺服马达，再加上闭路式定位回馈以提供精密的控制，或使用包含大量极数的步进马达，才能达到手术等级需求的准确度。

BLDC 马达

典型的 BLDC 马达需要精密的电子控制电路以及持续判断转子位置的一些方法。转子的位置可透过霍尔效应传感器来判断，或是在转子旋转时，测量每个电枢线圈 Back-EMF 中的变化。有刷直流马达的速度由施加的电压决定，而 BLDC 马达的速度则是由切换的频率决定。马达是由图 1 所示的 PWM 脉冲所驱动的。

图 1:PWM 驱动 BLDC 马达

BLDC 马达有三种基本类型:单相、双相及三相，每一种类型的运作原理都相同，不是藉由机械式的电流变向器来改变转子线圈的磁极性，而是利用晶体管持续改变定子线圈的相位来保持马达转动。在低功率的应用中经常可看到单相 BLDC 马达。双相马达则比较常在中功率应用中看到。三相 BLDC 马达通常用于驱动磁盘驱动器及 DVD 播放器。如下表所示，每种马达类型皆有不同的特性及最适合的特定应用。

步进马达

并非所有应用都需要让马达自由地旋转。步进马达以有限的增量旋转转子，并希望转轴停止不动，直到再次开始动作。步进马达没有刷或接点，是同步的直流马达，具有以电子方式切换的磁场以旋转电枢磁铁，将数字脉冲转换为机械的轴心旋转动作，相当于机械版的 DAC，将数字步进转换为模拟的角度位移。

步进机是同步的直流马达，将完整的旋转区分为离散数量的步进，步进或「相位」的数量与安排在中央齿轮形核心四周的电磁铁数量相同。控制传送至这些磁铁的电流，即可将马达转动至精确的角度。

步进马达通常是由每个线圈一个的 H-bridge 驱动，输出则是由 PWM 控制 (图 2)。旋转角度与脉冲数量呈等比例，旋转速度与脉冲的频率呈等比例。

图 2:含 H-bridge 驱动器的简易步进马达

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