电机控制原理（机器人）

机器人的应用越来越广泛，对工业生产和效率的提高起到了重要作用。工业机器人主要采用伺服电机进行运动控制，实现工具的移动和抓取。本文将详细讨论伺服电机的特点以及不同类型的伺服电机对应的控制原理。

运动控制原理

运动控制与机器人技术息息相关，工业应用中的机器人必须利用各种电机组成的执行器自行移动，才能执行任务或通过机械臂抓取工具。

机器人的运动控制系统通常由电机控制器、电机驱动器、电机本体（多为伺服电机）组成。电机控制器具有智能运算功能，可以发出指令驱动电机。驱动器根据控制器指令提供升压电流驱动电机。电机可以直接带动机器人运动，也可以通过传动系统或链条系统带动机器人运动。

输出类型

移动机器人通常用于探索大面积的土地，可以使用各种螺旋桨、机械脚、轮子、履带或机械臂移动。例如，各种 NI 展示平台包括 VINI、VolksBot 和 Isadora。这些机器人分别使用麦克纳姆轮、通用轮和机械臂。对于嵌入式控制，可以通过 NI CompactRIO 等嵌入式平台集成实时控制器和 FPGA。CompactRIO 还包括一个可重构机箱，可容纳各种 I/O 配置，包括传感器输入和电机控制。

VINI 是一个使用全向轮的机器人平台，可以向多个方向行驶。除了像传统轮子一样向前和向后移动外，全向轮还可以反向旋转轮轴，以向任意方向行驶。这种类型的轮子已经广泛用于自动叉车等必须能够在狭小空间内移动的应用中。

VINI 也是一个地图绘制机器人，它通过 NI 工业级控制器和 CompactRIO 进行路径规划和数据处理。嵌入式工业级控制器为 CompactRIO 提供激光扫描地图并进行机器视觉处理，以接收传感器数据并控制摄像头系统上的伺服电机。

VolksBot 上的轮子是由德国弗劳恩霍夫研究所开发的。

Isadora 是一个会跳舞的人形机器人，它从操作缩小版机器人的人类那里获取输入数据。然后他开始移动机械臂和躯干，模仿微型机器人的运动。Isadora 使用了 2 组 CompactRIO，其中一组用于模拟记录的运动，另一组用于重现机器人的运动轨迹。

伺服电机控制原理及其类型

伺服电机是机器人应用中常见的一种电机。其基本控制原理是使用控制环路，结合必要的电机反馈，协助电机进入所需状态，如位置和速度。由于伺服电机必须通过控制环路了解当前状态，因此其稳定性高于步进电机。

伺服电机有多种类型 - 有刷和无刷。有刷伺服电机和无刷伺服电机之间的区别在于它们的通信机制。伺服电机通过基于相反的磁力移动或建立扭矩来工作。最简单的例子是静止和旋转磁场。只需改变流过磁场的电流方向，就可以改变磁极，磁极（转子）开始旋转。改变线圈的电流方向称为“换向”。

有刷伺服电机

有刷电机的控制原理是通过机械电刷改变电机线圈中的电流。由于有刷电机可以改变输入电流的方向，因此可以用直流电 (DC) 供电。有刷伺服电机可分为 2 组零件：

马达壳体内有场磁铁（Field magnet），也就是定子（Stator）
转子由线圈组成，中间有铁芯，与电流互感器相连

然后，电刷与电流变压器接触，将电流导入线圈。使用一段时间后，电刷会磨损并在系统上产生摩擦；然而，无刷伺服电机不会发生这种情况。

无刷伺服电机

大多数无刷伺服电机采用交流电 (AC) 运行。无刷伺服电机的控制原理是将铁芯放在外面。转子变成临时磁铁，而定子变成铁线圈。外部电路中的电流将在给定的转子位置处反转。因此，这种伺服电机由交流电驱动。当然，也有无刷直流伺服电机。这些电机通常具有一些电子开关电路来转换输入的直流电。无刷伺服电机更昂贵，但磨损较少。

步进电机

在机器人运动应用中，步进电机并不像伺服电机那么受欢迎，但它仍是一种重要的电机类型，使用起来也更方便。与伺服电机相比，步进电机速度较慢，但精度更高。步进电机内置有一系列无刷齿（Brushless Teeth），电流通过后改变电磁电荷，转子被下一组刷齿拉动，上一组刷齿推动转子，从而为步进电机提供动力。

相比伺服电机，步进电机可以精确控制刷牙的个数（即移动的距离），所以一般不需要反馈，但遇到障碍物可能会漏掉刷牙，所以可以用编码器做反馈。

运动控制器和软件架构

许多制造商都构建了自己的驱动系统来控制机器人。在考虑机器人应用中的运动控制系统时，您可以首先了解基本的网格循环，如下图所示。

至于机器人任务规划的更高层次的功能，则是让机器人的行动达到最终目标。它可能在单个命令中包含多组目标，或者可以将机器人引导到特定位置。如果机器人采用远程操作架构，那么这些指令很可能通过板外连接的计算机传输，机器人的后续动作或行为可以在这里手动选择。在全自动机器人中，任务规划也可以直接在板上进行，具体取决于决策算法。

在规划路径时，经常会出现“我该如何到达目的地才能完成这个任务？”或者“我该如何将机械臂移动到这个位置？”这样的问题。而这类问题可以通过机器人运动控制器来完成。

一旦知道目的地和行进速度，伺服电机控制器就会向实际电机驱动器发送控制信号（PWM 或电流等），以便它能够到达目的地。通常，PID 用于构建控制功能。还要注意，此时还应内置安全功能。例如，如果高速行驶的机器人在其当前路径上检测到人，它应该发出紧急信号以立即停止电机或刹车。