Roboty wykonują określone, zaplanowane wcześniej zadania, takie jak praca przy linii montażowej, pomoc chirurgiczna, odbiór/pobieranie z magazynu, a nawet niebezpieczne zadania, takie jak usuwanie min lądowych. Dzisiejsze roboty są w stanie wykonywać nie tylko bardzo powtarzalne zadania, ale także złożone funkcje wymagające elastyczności kierunku i ruchu. Wraz z postępem technologii, wzrostem szybkości i zręczności oraz spadkiem kosztów roboty będą stopniowo szeroko stosowane. Niższa cena niż praca daje nam również wgląd w branżę robotyki. Ponadto postęp w dziedzinie wizji maszynowej, mocy obliczeniowej i sieci będzie również napędzał popularyzację zastosowań robotów, a te wysokowydajne maszyny
Realizacja człowieka wynika z następujących aspektów udoskonalenia:
1. Złożone czujniki
2. Moc obliczeniowa i algorytmy umożliwiające podejmowanie decyzji i przemieszczanie się w czasie rzeczywistym.
3. Silniki, które szybko i precyzyjnie zwiększają moc mechaniczną w celu realizacji złożonych zadań!
Przy wyborze konkretnego typu i modelu silnika projektant musi wziąć pod uwagę trzy podstawowe czynniki.
1. Minimalna i maksymalna prędkość (oraz przyspieszenie) silnika.
2. Maksymalny moment obrotowy, jaki może wytworzyć silnik, oraz zależność między momentem obrotowym a krzywymi prędkości.
3. dokładność i powtarzalność pracy silnika (bez czujników i sterowania w pętli zamkniętej); oczywiście, istnieje wiele innych ważnych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze silnika, takich jak rozmiar, waga i koszt. W przypadku prawie wszystkich małych i średnich siłowników robotycznych wybór silników napędowych zwykle dotyczy silników szczotkowych DC, bezszczotkowych silników DC (BLDC) i silników krokowych. (Jednak w niektórych przypadkach najlepszym wyborem są prasy hydrauliczne lub pneumatyczne.)
Silniki prądu stałego szczotkowe są najstarszą technologią silników prądu stałego, najprostszą i najmniej kosztowną. Obrót wirnika silnika przełącza (komutuje) pole magnetyczne uzwojeń wokół wirnika ze względu na kontakt między szczotkami a wirnikiem. Prędkość silnika jest funkcją przyłożonego napięcia, więc wymagania dotyczące napędu są skromne, ale zarządzanie momentem obrotowym jest trudne. Istnieją również problemy z niezawodnością podczas pracy z powodu takich czynników, jak zużycie szczotek, konieczność czyszczenia i konserwacji oraz potencjalne źródło szumu elektronicznego (zakłócenia elektromagnetyczne). W wyniku tych problemów silniki prądu stałego szczotkowe są w większości najmniej atrakcyjną opcją do projektowania robotów.
Silniki prądu stałego bezszczotkowe pojawiły się w latach 60. XIX wieku i skorzystały z dwóch osiągnięć: pojawienia się solidnych, małych, tanich magnesów trwałych; oraz pojawienia się małych, wydajnych przełączników elektronicznych (zwykle MOSFET-ów) do przełączania przepływu prądu do uzwojeń. „Komutacja elektroniczna” zastępuje mechaniczną komutację silnika szczotkowego w celu sterowania przełączaniem pola magnetycznego, interakcja między stałą cewką przełączającą wokół i magnesami na obracającym się rdzeniu zastępuje mechaniczną komutację silnika szczotkowego, tj. wykorzystuje interakcję między polem magnetycznym a polem elektrycznym. Zmieniając częstotliwość przełączania MOFSET-u, można zatem kontrolować prędkość silnika. Ponadto jego sterownik silnika może lepiej kontrolować wydajność silnika w porównaniu z silnikami szczotkowymi.
Co więcej, zaawansowane algorytmy, takie jak algorytmy korekcji PID (Proportional-Integral-Differential) lub algorytmy sterowania FOC (Field Oriented Control, czasami nazywane Vector Control), mogą zostać utrwalone w sterowniku silnika. Pozwala to na dopasowanie idealnej pracy silnika do rzeczywistych obciążeń i zmian obciążenia, co skutkuje bardziej solidną i dokładną pracą silnika. Na przykład algorytmy/programy sterowania silnikiem mogą uwzględniać istotne czynniki, takie jak bezwładność wirnika i umożliwiać napędowi silnika dostosowanie się i stopniową redukcję błędów spowodowanych czynnikami mechanicznymi. Takie algorytmy umożliwiają precyzyjną kontrolę przyspieszenia i momentu obrotowego.
Silniki bezszczotkowe (BLDC) wymagają bardziej złożonych obwodów sterowania, ale mogą wykazywać lepszą wydajność niż silniki szczotkowe. Zazwyczaj silniki BLDC muszą być wyposażone w czujnik sprzężenia zwrotnego położenia, taki jak czujnik efektu Halla, enkoder optyczny lub urządzenie wykrywające odwrotny potencjał.
Innym typem silnika BLDC powszechnie stosowanego w robotach jest silnik krokowy, w którym stosuje się przełączający elektromagnes, umieszczony obok centralnego rdzenia pierścienia magnesu trwałego. Silniki krokowe nie „obracają się” w konwencjonalny sposób; zamiast tego stopniowo zwiększają swoją prędkość za pomocą stale obracającego się wału, umożliwiając w ten sposób pewien kąt obrotu lub ciągły obrót. Silniki krokowe mają powtarzalną kontrolę ruchu: można je przywrócić do poprzedniej pozycji, gdy jest to wymagane.
Kąty kroku wahają się od 1,8 stopnia (200 kroków/obrót) do 30 stopni (12 kroków/obrót). Kąt kroku lub liczba kroków zależy od liczby magnesów trwałych w silniku, ale możliwe są również wartości poza tym zakresem.
W przypadku silników krokowych, jeśli zostanie przyłożone zasilanie, ale żadne kroki nie będą skierowane, pozostaną one w swojej pierwotnej pozycji; silniki krokowe zapewniają wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach na minutę. Najbardziej bezpośrednim sposobem na obrót silnika krokowego jest zasilanie i wyłączanie elektromagnesu w uporządkowany sposób, ale może to powodować drgania lub wibracje. Silniki bezszczotkowe i silniki krokowe mają częściowo nakładające się obszary zastosowań. Silniki krokowe są lepiej przystosowane do zastosowań wymagających precyzyjnych ruchów do wewnątrz i na zewnątrz (takich jak pobieranie i umieszczanie), a nie długich okresów ciągłego obrotu, a także do mniejszych zastosowań, które nie wymagają wysokiego momentu obrotowego lub prędkości silnika. Ponadto silniki krokowe mają niższe wymagania dotyczące efektywności energetycznej niż bezszczotkowe silniki prądu stałego. Oprócz silników wymienionych tutaj dostępnych jest wiele innych typów. Rodziny silników są liczne i złożone, z wieloma podziałami. Na przykład silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) jest połączeniem bezszczotkowego silnika prądu stałego (w odniesieniu do wirnika) i silnika indukcyjnego prądu przemiennego (w odniesieniu do struktury stojana). Charakteryzuje się wysoką efektywnością energetyczną, dużą gęstością względną na jednostkę małej objętości, stosunkiem momentu obrotowego do masy, szybkim czasem reakcji i względną łatwością sterowania, ale jest też stosunkowo drogi.
System ruchu robota obejmuje nie tylko silniki; składa się on z trzech głównych modułów funkcjonalnych.
1.Kontroler czasu rzeczywistego, występujący w trzech następujących formach.
Szybkie procesory obliczeniowe do zastosowań ogólnych, obsługujące oprogramowanie sprzętowe do sterowania ruchem.
Układy FPGA zorientowane na DSP do zastosowań sterujących.
Specjalistyczne układy scalone kontrolerów z wbudowanymi algorytmami i okablowaniem.
2. Jedna lub więcej warstw sterowników połączonych kaskadowo, odbierających sygnały niskiego poziomu z wyjść sterownika i wysyłających wysokie napięcie/prąd potrzebne do włączania/wyłączania elektroniki sterującej.
3.MOSFET (lub inne urządzenia przełączające, takie jak IGBT lub tranzystory bipolarne) sterują przepływem prądu do określonych uzwojeń silnika
Wybór MOSFET zależy głównie od silnika i uzwojeń wymaganego rozmiaru prądu i napięcia. Model MOSFET do określenia w dół, aby wybrać sterownik po wyborze sterownika MOSFET według oceny MOSFET: czasami może wymagać serii sterowników odpychających rosnąco, konkretnej decyzji o określeniu sterownika. Czasami może być wymagana seria sterowników boost, w zależności od rozmiaru MOSFET-ów.
4. Problemy, które mogą wystąpić przy wyborze kontrolera
Wybór modelu sterownika jest również bardzo strategiczny i wymaga podjęcia decyzji przed wyborem konkretnego dostawcy i modelu. Istnieje wiele kompromisów przy wyborze, czy użyć procesora ogólnego przeznaczenia tylko do sterowania silnikiem, FPGA z lokalną mocą obliczeniową, czy wyspecjalizowanego układu IC sterującego (zwykle od konkretnego dostawcy sterowania silnikiem). Projektanci muszą wziąć pod uwagę takie czynniki, jak.
Jakiej złożoności algorytmu sterowania potrzebujesz i ile portów I/0?
Kto dostarczy algorytm sterowania i kod: dostawca IC, partner zewnętrzny czy niezależny deweloper zewnętrzny? W jaki sposób zweryfikują i zatwierdzą wydajność silnika i jego zastosowania?
Jakiej zdolności programowania użytkownika potrzebujesz? Nawet dedykowane, nieprogramowalne kontrolery będą wymagały od użytkownika wybrania typu algorytmu, trybu sterowania w pętli zamkniętej (pozycja, prędkość lub przyspieszenie) i będą musiały ustawić szereg parametrów operacyjnych. Czy silnik i aplikacja mają unikalne właściwości do ustawienia? Jeśli odpowiedź brzmi tak, to lepiej wybrać programowalny I. Odwrotnie, jeśli nie ma potrzeby modyfikowania algorytmów, dedykowany układ scalony z wbudowanymi, ugruntowanymi algorytmami jest lepszy niż w pełni programowalny układ scalony. Czy kontroler musi obsługiwać wiele typów silników? Nawet jeśli jest to ten sam typ, czy kontroler musi obsługiwać tylko jeden rozmiar silnika w tym modelu, czy też zakres rozmiarów?
Jaki poziom wsparcia technicznego zapewnia dostawca? Jakie praktyczne doświadczenie w rozwoju silników mają? Czy dostarczą konkretne projekty referencyjne, które zostały zbudowane i sprawdzone, w tym obwody interfejsu między układem sterowania a sterownikiem MOSFET?
Czy są jakieś kwestie regulacyjne, o których należy wiedzieć? Na przykład autoryzowane oceny efektywności energetycznej
(wiele aplikacji silnikowych musi teraz spełniać różne „zielone” wymagania środowiskowe). Jeśli tak, czy dostawca rozumie te kwestie i czy jego komponenty i algorytmy spełniają te wymagania?
5. Zestawy deweloperskie demonstrują wydajność kontrolera i interfejsu
Dla wielu inżynierów połączenie wszystkich elementów — kontrolerów, sterowników, MOSFET-ów itp. z ugruntowanymi lub oddzielnymi algorytmami — jest zadaniem multidyscyplinarnym, którego nie chcą „zaczynać od zera”. Z tego powodu wielu dostawców oferuje płytki ewaluacyjne lub nawet kompletne zestawy z przykładowymi algorytmami kontrolerów, sterownikami i MOSFET-ami. Na przykład zestaw trójfazowego silnika PMSM bezczujnikowego MTRCKTSPNZVM128 firmy Freescale wykorzystuje technologię sterowania silnikiem bezczujnikowym do sterowania trójfazowym silnikiem BLDC lub PMSM i jest przeznaczony do szybkiego prototypowania i oceny przy użyciu odwrotnych potencjałów obsługiwanych przez zintegrowany moduł ADC za pomocą mikrokontrolera. Ponadto zestaw ten (zawierający mikrokontroler MC9S12ZVML12) można również skonfigurować do opartej na czujnikach oceny działania przy użyciu czujników Halla lub resolwerów. Przyszłość robotyki jest również bardzo obiecująca, ponieważ postęp technologiczny, w tym precyzyjna aktywacja dzięki ulepszonemu sterowaniu silnikiem i wykrywaniu, stworzy nowe możliwości. Rewolucje w kluczowych obszarach czujników, sterowania i silników będą w dalszym ciągu wpływać na zmiany w robotyce.