機(jī)器人電機(jī)控制中為什么選擇FOC而不是無刷電機(jī)
2020/6/12 14:30:19 點(diǎn)擊：
本文所述的機(jī)器人為服務(wù)機(jī)器人或是載重機(jī)器人（倉儲(chǔ)機(jī)器人、物流機(jī)器人）；機(jī)器人電機(jī)控制指的是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走、移動(dòng)的電機(jī)控制。
這種驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的電機(jī)一般功率在30~600W，24~48V電池供電，要求壽命長，效率高，運(yùn)行平穩(wěn)，安靜，響應(yīng)快，一定范圍內(nèi)負(fù)載可變。
本文探討以下2個(gè)問題：
為什么選擇無刷電機(jī)
為什么選擇FOC控制
1、為什么選擇無刷電機(jī)
常見的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、異步電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)、伺服電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)
價(jià)格較低，控制簡單，開環(huán)控制精度高，一般用在小力矩中低轉(zhuǎn)速需定位的場合，如3D打印、小型機(jī)器人。由于力矩小且動(dòng)態(tài)性能差，不適用于服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人。
異步電機(jī)
價(jià)格較低，可以不需要控制器，效率低，一般用在交流電供電場合，如傳統(tǒng)風(fēng)扇。不適用于電池供電的機(jī)器人。
有刷電機(jī)
價(jià)格較低，控制簡單，碳刷易壞，一般用在小電流低成本場合，如玩具車、小型機(jī)器人。在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人中，由于電流大，碳刷易壞，往往不使用。
無刷電機(jī)
價(jià)格較高，控制復(fù)雜，無碳刷，壽命長，力矩波動(dòng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，一般用在稍大電流要求高的場合，如無人機(jī)、電動(dòng)自行車、機(jī)器人。
伺服電機(jī)
價(jià)格昂貴，控制復(fù)雜，力矩波動(dòng)最小，一般用在定位響應(yīng)快要求高的場合，如數(shù)控機(jī)床。由于機(jī)器人行走一般不需要精度非常高的位置控制，所以也比較少選擇昂貴的伺服電機(jī)。
綜上所述，無刷電機(jī)擁有步進(jìn)電機(jī)和有刷電機(jī)難以企及的優(yōu)點(diǎn)，在無刷電機(jī)性能滿足的情況下，一般也不使用價(jià)格昂貴的伺服電機(jī)。因此，無刷電機(jī)在機(jī)器人中被廣泛使用。
2、為什么選擇FOC控制
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無刷電機(jī)最常用的控制方式有3種：方波控制、正弦電壓控制、FOC控制，這3種控制方式電機(jī)相電流波形如下：
方波控制
電流波動(dòng)大、控制精度差，噪聲大，算法簡單，適用于成本敏感、性能要求低的場合。在變負(fù)載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的機(jī)器人中效果不好。
電壓正弦控制
電壓正弦、控制精度差，噪聲小，算法略復(fù)雜、適用于成本敏感、對(duì)噪聲要求不高的場合。同樣在變負(fù)載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的機(jī)器人中效果不好。
FOC控制
電流正弦、控制精度比方波控制和電壓正弦控制高20倍以上，噪聲最小，控制多樣化，算法復(fù)雜，適用于性能要求高的場合。非常合適應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人中。
在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)中，無刷電機(jī)成為最廣泛的選擇，而FOC成為無刷電機(jī)最合適的控制技術(shù)。
這種驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的電機(jī)一般功率在30~600W，24~48V電池供電，要求壽命長，效率高，運(yùn)行平穩(wěn)，安靜，響應(yīng)快，一定范圍內(nèi)負(fù)載可變。
本文探討以下2個(gè)問題：
為什么選擇無刷電機(jī)
為什么選擇FOC控制
1、為什么選擇無刷電機(jī)
常見的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、異步電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)、伺服電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)
價(jià)格較低，控制簡單，開環(huán)控制精度高，一般用在小力矩中低轉(zhuǎn)速需定位的場合，如3D打印、小型機(jī)器人。由于力矩小且動(dòng)態(tài)性能差，不適用于服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人。
異步電機(jī)
價(jià)格較低，可以不需要控制器，效率低，一般用在交流電供電場合，如傳統(tǒng)風(fēng)扇。不適用于電池供電的機(jī)器人。
有刷電機(jī)
價(jià)格較低，控制簡單，碳刷易壞，一般用在小電流低成本場合，如玩具車、小型機(jī)器人。在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人中，由于電流大，碳刷易壞，往往不使用。
無刷電機(jī)
價(jià)格較高，控制復(fù)雜，無碳刷，壽命長，力矩波動(dòng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，一般用在稍大電流要求高的場合，如無人機(jī)、電動(dòng)自行車、機(jī)器人。
伺服電機(jī)
價(jià)格昂貴，控制復(fù)雜，力矩波動(dòng)最小，一般用在定位響應(yīng)快要求高的場合，如數(shù)控機(jī)床。由于機(jī)器人行走一般不需要精度非常高的位置控制，所以也比較少選擇昂貴的伺服電機(jī)。
綜上所述，無刷電機(jī)擁有步進(jìn)電機(jī)和有刷電機(jī)難以企及的優(yōu)點(diǎn)，在無刷電機(jī)性能滿足的情況下，一般也不使用價(jià)格昂貴的伺服電機(jī)。因此，無刷電機(jī)在機(jī)器人中被廣泛使用。
2、為什么選擇FOC控制
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無刷電機(jī)最常用的控制方式有3種：方波控制、正弦電壓控制、FOC控制，這3種控制方式電機(jī)相電流波形如下：
方波控制
電流波動(dòng)大、控制精度差，噪聲大，算法簡單，適用于成本敏感、性能要求低的場合。在變負(fù)載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的機(jī)器人中效果不好。
電壓正弦控制
電壓正弦、控制精度差，噪聲小，算法略復(fù)雜、適用于成本敏感、對(duì)噪聲要求不高的場合。同樣在變負(fù)載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的機(jī)器人中效果不好。
FOC控制
電流正弦、控制精度比方波控制和電壓正弦控制高20倍以上，噪聲最小，控制多樣化，算法復(fù)雜，適用于性能要求高的場合。非常合適應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人中。
在服務(wù)機(jī)器人和載重機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)中，無刷電機(jī)成為最廣泛的選擇，而FOC成為無刷電機(jī)最合適的控制技術(shù)。
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