設(shè)計(jì)師指南：向智能運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

———設(shè)計(jì)師指南：向智能運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隨著機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化和（物聯(lián)網(wǎng)）的興起，對(duì)復(fù)雜（電機(jī)控制）的需求急劇增加。但無(wú)傳感器操作和復(fù)雜算法（例如面向場(chǎng)的控制）通常需要復(fù)雜的編程和強(qiáng)大的計(jì)算，這使許多開(kāi)發(fā)人員無(wú)法接觸到它們。然而，更新的控制（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)芯片正在進(jìn)入市場(chǎng)，在非專(zhuān)家的能力范圍內(nèi)帶來(lái)平滑、精確和節(jié)能的運(yùn)動(dòng)控制。

最基本的，（電動(dòng)機(jī)）是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。它由永磁體和圍繞形成旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)軸布置的電場(chǎng)線圈組成。當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)，它們以某種方式吸引永磁體，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)以使兩者對(duì)齊。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整勵(lì)磁線圈通電的方式，可以使這種運(yùn)動(dòng)連續(xù)進(jìn)行。當(dāng)對(duì)齊幾乎完成時(shí)，只需將能量依次切換到下一個(gè)線圈（稱(chēng)為換向的過(guò)程）以重新定位對(duì)齊點(diǎn)。就像用遙不可及的胡蘿卜牽著驢子一樣，結(jié)果是（馬達(dá)）一直在轉(zhuǎn)動(dòng)。

第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī)早在1834年就出現(xiàn)了，從那時(shí)起，其尺寸和類(lèi)型不斷增加。今天，我們擁有為卡車(chē)和汽車(chē)提供動(dòng)力的大型電動(dòng)機(jī)，為手掌大小的四軸飛行器提供動(dòng)力的微型電動(dòng)機(jī)，以及介于兩者之間的一切。電機(jī)類(lèi)型現(xiàn)在包括交流同步和感應(yīng)類(lèi)型以及具有機(jī)械（有刷）和（電子）（無(wú)刷）換向的直流電機(jī)。在這些廣泛的類(lèi)別中也有許多變化。

對(duì)于許多開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，電機(jī)的操作似乎也很簡(jiǎn)單：你通電，它就會(huì)旋轉(zhuǎn)。但除此之外還有很多事情要做，電機(jī)運(yùn)行的精確控制在機(jī)器人技術(shù)和許多其他系統(tǒng)中變得越來(lái)越重要。此外，不同類(lèi)型的電機(jī)需要不同類(lèi)型的控制，從而增加了更多復(fù)雜性。

運(yùn)動(dòng)控制中最流行的兩種電機(jī)類(lèi)型是（步進(jìn)電機(jī)）和無(wú)刷直流（（BLDC））電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)，顧名思義，是交流電機(jī)的一種變體，設(shè)計(jì)用于以小而離散的弧線或步進(jìn)方式旋轉(zhuǎn)。他們可以在步驟之間暫停以提供一種設(shè)置和保持位置的運(yùn)動(dòng)。另一方面，BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)用于連續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要精確的運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，兩者都常用，具體選擇取決于應(yīng)用。

機(jī)器人技術(shù)的興起帶來(lái)了對(duì)精密運(yùn)動(dòng)控制的需求增加，而新的IC正在降低難度。

但是，要提供受控運(yùn)動(dòng)，您需要知道電機(jī)在其旋轉(zhuǎn)弧中的位置。這些知識(shí)不僅對(duì)于確定位置至關(guān)重要，而且有助于控制電機(jī)的速度。有些旋轉(zhuǎn)（編碼器）（傳感器）可以?shī)A在驅(qū)動(dòng)軸上以提供此信息，或者有些無(wú)傳感器方法使用來(lái)自勵(lì)磁線圈的反電動(dòng)勢(shì)。

在大多數(shù)情況下，您還需要控制運(yùn)動(dòng)的速度：速度、加速度，甚至“jerk”，即加速度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。您可以通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈的（電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)此控制，并且該電流會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)位置、電機(jī)質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)載和電機(jī)的磁動(dòng)力學(xué)而變化。因此，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的操作很快就被證明是電機(jī)控制回路理論中的一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。許多越來(lái)越復(fù)雜的控制回路方法已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，通常以其驅(qū)動(dòng)波形的基本形狀命名，包括正弦、梯形和磁場(chǎng)定向控制，也稱(chēng)為矢量控制。因此，針對(duì)給定應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制可能需要大量的知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

高級(jí)電機(jī)控制算法似乎令人生畏，但供應(yīng)商正在通過(guò)庫(kù)、（工具）甚至預(yù)編程設(shè)備加強(qiáng)對(duì)開(kāi)發(fā)人員的支持。

幸運(yùn)的是，您不再需要成為控制回路和電機(jī)專(zhuān)家即可獲得合理程度的精確運(yùn)動(dòng)。（公司）已開(kāi)始創(chuàng)建電機(jī)控制器，有時(shí)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)控制器或運(yùn)動(dòng)處理器，這些算法在不同程度上預(yù)先編程了這些算法。在某些情況下，它們是參數(shù)化的，因此您只需要輸入一些有關(guān)您的電機(jī)選擇的數(shù)據(jù)。從那里，您只需向設(shè)備發(fā)送您的運(yùn)動(dòng)命令，其余的就交給它了。這些智能電機(jī)控制設(shè)備大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

步進(jìn)電機(jī)尤其受益于電機(jī)控制芯片的進(jìn)步。步進(jìn)式移動(dòng)機(jī)械會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪音，但通過(guò)控制加速度和加加速度，步進(jìn)器可以提供快速平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械噪音最小。如本（視頻）所示，使用先進(jìn)控制算法的智能步進(jìn)控制也可以平滑運(yùn)動(dòng)。

然而，向預(yù)配置電機(jī)控制的轉(zhuǎn)變才剛剛開(kāi)始，因此運(yùn)動(dòng)控制芯片具有多種功能級(jí)別。Infineon、（IDT）、STMicroelectronics、Toshiba和（Te）xasInstruments等行業(yè)巨頭為電機(jī)控制器提供庫(kù)（軟件）和工具支持，以實(shí)現(xiàn)FOC和無(wú)傳感器操作等高級(jí)算法。其他公司，如Ac（TI）ve-Semi、Bro（adc）om、Pe（rf）ormanceMoTIonDevices（PMC）和（Trinamic），通過(guò)提供完全預(yù)編程的設(shè)備來(lái)自動(dòng)處理大部分復(fù)雜性，從而展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

由于該行業(yè)瞬息萬(wàn)變，因此從事電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制工作的開(kāi)發(fā)人員應(yīng)在做出選擇之前查找有關(guān)（最新）介紹的新聞。通過(guò)牢記您將控制的電機(jī)類(lèi)型、速度和負(fù)載限制、無(wú)傳感器操作的任何要求以及您想要使用哪