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[如何製作機器人 5] 選擇馬達控制器

2017-02-28阿里哥 各類型機器人, 如何製作機器人系列 發表留言

這次推薦的是另一系列非常經典的製作機器人入門教學文章 。一共分成十個單元，每單元介紹一個主題 。我們將陸陸續續和各位分享!

課程目錄

目錄連結:
第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
第6課 - 控制你的機器人
第7課 - 使用感知器
第8課 - 獲得正確的工具
第9課 - 機器人組裝
第10課 - 機器人控制程式編寫

第5課 – 選擇馬達控制器

現在的外觀形狀，致動器（或馬達）和機器人的大腦已經被選擇，是時候讓它動起來了。

很多初學者在建立自己的第一個機器人時首先會遇到的問題就是，“我要怎麼控制馬達？“ 在稍稍研究之後，將發現馬達控制器這個詞彙會一直出現。

什麼是馬達控制器，為什麼我需要它？

馬達控制器是被用來當作微控制器，電源供應器或電池和馬達之間的介面的電子裝置（通常是沒有外殼的裸電路板）。

雖然微控制器（機器人的大腦）決定馬達的速度和方向，它卻不能直接驅動它們，因為它的功率（電流和電壓）輸出非常有限。另一方面，馬達控制器可以提供所需電壓的電流，但不能決定馬達應該轉動多快。

因此，微控制器和馬達控制器必須一起工作，使馬達能依需求的正常運作。一般情況下，微控制器可以指示馬達控制器如何通過標準且簡單的通信方式來提供馬達所需的功率如UART或PWM。此外，一些馬達控制器可以通過類比電壓（通常由電位計製造）手動控制。

馬達控制器的物理尺寸和重量可能有很大的差異，從比指尖還小用於控制迷你相撲機器人的裝置到重達好幾公斤的大型控制器。馬達控制器的重量和尺寸通常對機器人沒甚麼影響，除非你進入了小型機器人或無人駕駛飛行器的領域。馬達控制器的尺寸通常與其能夠提供的最大電流有關。較大的電流也意味著必須使用較大直徑的導線（導線編號號碼越小，直徑越大）。

馬達控制器類型

• 因為有多種類型的驅動器（的在第3課中曾討論），因此也有多種類型的馬達控制器：
• 有刷直流馬達控制器：用於有刷直流馬達，直流齒輪馬達和許多線性致動器。
• 無刷直流馬達控制器：與無刷直流馬達一起使用。
• 伺服馬達控制器：用於伺服馬達
• 步進馬達控制器：根據其類型使用單極或雙極步進馬達。

選擇馬達控制器

只有在選擇了馬達/執行器後才能選擇馬達控制器。此外，馬達需要的電流與其可以提供的扭矩相關：小型DC馬達不需要大量電流，但是無法提供大的扭矩，而大型馬達可以提供更高的扭矩，但是同時也需要更高的電流來達到這樣的目的。

直流馬達控制：

1. 直流馬達首先要考慮的是馬達的額定電壓。直流馬達控制器通常提供的電壓是一個範圍。例如，如果馬達在3V額定電壓下運行，則不應選擇只能在6V和9V之間的馬達控制器。這將可以幫你由列表中的移除某些馬達控制器。
2. 一旦你找到了可以提供馬達適當電壓的一系列控制器之後，接下來要考慮的是控制器將需要的連續電流. 你需要找到一個馬達控制器，能提供等於或高於馬達的連續負載下所需要的總電流。如果您為3A馬達選擇5A馬達控制器，馬達將只會用到它們所需的電流。另一方面，5A馬達可能會燒壞3A馬達控制器。許多馬達製造商會提供直流馬達的堵轉電流，但這不足以讓您用來決定所需的馬達控制器。如果你無法得知馬達在連續運作時所需的電流，一個簡單的經驗法可以用來估計馬達的連續電流: 大約是20％到25％的堵轉電流。所有的直流馬達控制器提供了最大額定電流-要確定這個值需要是馬達連續工作電流的兩倍。注意，當馬達需要產生更多的扭矩（例如爬坡）時，將會需要更大的電流。選擇具有內置過流和過熱保護的馬達控制器是一個非常好的選擇。
3. 控制方法是另一個重要的考慮因素。控制方法包括類比電壓，I 2 C，PWM，R / C，UART等等。如果使用微控制器，請確認有你有那些接腳類型可以使用以及有那些馬達可供選擇。如果你的微控制器有序列通訊接腳，可以選擇序列馬達控制器; 如果是PWM，每個馬達可能需要有一個PWM通道。
4. 最後需要考慮的是很實際的問題：單或雙馬達控制器。雙直流馬達控制器可以獨立控制兩個直流馬達的速度和方向，通常節省您的錢（和時間）。馬達不一定需要完全相同，但對於移動機器人，驅動馬達在大多數情況下應該是相同的。雙馬達控制器的選擇要以需求功率較大的直流馬達為主。注意，雙馬達控制器往往只有一個電源輸入，因此，如果你想控制一個馬達在6V和另一個在12V，這將是不可能的。另外需要注意的是所提供的額定電流一般每個通道都一樣大。

伺服馬達控制：

由於標準玩家伺服馬達一般就是需要使用特定的電壓（用於峰值效率），大多數在4.8V至6V下操作，並且它們消耗的電流相似，所以選擇的步驟較為簡化。然而，您可能會發現一個工作在12V的伺服馬達; 如果您使用的不是“標準”的伺服馬達，則額外對伺服馬達控制器進行的研究是很重要的。

此外，大多數的玩家伺服馬達使用標準的R / C伺服輸入（有三條導線: 接地，電壓和信號）

1. 選擇控制方法。一些伺服馬達控制器允許您使用撥盤/開關/按鈕手動控制伺服馬達的位置，其他則使用UART(序列) 命令或其他方法進行通信。
2. 確定要控制的伺服器數量。伺服控制器可以控制許多伺服機（通常為8, 16, 32, 64及更多）。您當然可以選擇能夠控制比您所需要的更多的伺服馬達控制器。
3. 與直流馬達控制器一樣，控制方法是一個重要的考慮因素。

步進馬達控制：

1. 你選擇的馬達是單極或雙極？由它們之中選擇合適的步進馬達控制器的類型，儘管越來越多能夠同時控制這兩種類型。馬達的導線數通常是沒辦法改變的：如果馬達有4條導線，那麼它是雙極的; 如果它有6條或更多的導線，則它是單極的。
2. 選擇馬達控制器的電壓範圍，以配合您的馬達的 額定電壓。
3. 找出馬達的每個線圈需要多少電流，並找出步進馬達控制器可以提供多大的電流（每一圈）. 如果你找不到每個線圈中的電流，大多數製造商列出線圈的阻抗，R。使用歐姆定律（V = IR），您可以計算出電流（I）。
4. 與直流馬達控制器一樣，控制方法是一個重要的考慮因素。

線性致動器控制：

線性致動器依其控制方法可分為三種形式：直流，遙控(R/C)或位置反饋。

大多數直流線性致動器使用齒輪直流馬達，因此通常使用直流馬達控制器。然而，一些線性致動器採用R / C伺服輸入，因此需要選擇伺服馬達控制器。如果R / C控制的線性致動器在比伺服控制器的範圍更高的電壓下操作，則致動器可能包括幾條獨立可以提供高電壓的導線。

其他執行器：

許多“雜項”機電裝置如肌肉線，螺線管或甚至超亮的光源需要使用馬達控制器來控制。以下問題可以幫助您判斷的執行器是否需要馬達控制器：

• 更高的電流要求：任何需要超過0.1A的設備通常需要自己的控制器
• 更高的電壓要求：如果致動器工作在微控制器的電壓（通常為5V或3.3V）以上，它通常不能直接連接到微控制器

進一步了解致動器操作和通訊方法，請參閱下列連結: 如何控制我的機器人。

實際範例

在上一課中，我們選擇了Solarbotics GM9齒輪馬達。
以下是該馬達的規格：

• 齒輪比：143：1
• 空載RPM（3V）：40
• 空載RPM（6V）：78
• 無負載電流（3V）：50mA
• 無負載電流（6V）：52mA
• 堵轉電流（3V）：400mA
• 堵轉電流（6V）：700mA
• 堵轉轉矩（3V）：44.44in * oz
• 堵轉轉矩（6V）：76.38in * oz

應用步驟：

1. 額定電壓為3V或6V。
2. 規格中只有提到在兩個電壓下的堵轉力矩：400mA和700mA, 並沒有提到持續運轉時的電流。如果我們取這些值的25％，持續運轉電流約為100mA至175mA。為了安全起見，我們可以取更大一點的值。
3. 我們選擇了一個具有許多不同接腳的微控制器，包括序列，PWM，類比和數位。
4. 我們的小型車將使用兩個相同的馬達，因此我們可以使用雙馬達控制器。

鑑於上述規格，我們正在尋找具有以下規格的馬達控制器：

• 電壓範圍可容納3V至6V馬達
• 連續電流每通道至少350mA（低功率類別）
• 通訊方式為PWM，I2C或類比（或同時包含多種類型）
• 雙馬達控制是首選。

通過查看有刷直流馬達控制器比較表（英制版），有幾個馬達控制器可以符合標準：

• RB-DIM-19（6-18V，5A，雙，具又許多安全功能的類比與序列接口）
• RB-POL-16（1.5-6V，5A雙。低成本控制器，序列接口）
• RB-POL-22（6-16V，9A，雙, PWM接口）
• RB-SPA-397（5-16V，2A，雙, 序列接口）
• RB-ADA-02（4.5-36V，0.6A，雙，Arduino的shield與PWM接口）
• RB-Cri-15（6-58V，10A，單，PWM）
• RB-Cri-14（6-58V，10A，單個，PWM）
• … 還有很多選擇。

還有其它各種的馬達控制器，它們滿足上述標準，它們也可以運作得很好。為了減少這個列表，將需要考慮成本和功能。例如，很容易理解的, 10A的馬達控制器一定比5A的馬達控制器來得貴。我們還可以去除所有單馬達的控制器。RB-POL-16控制器由於其較低的電壓範圍顯得非常獨特; 這意味著，如果我們決定馬達供電為3V時，它將落在此控制器的電壓範圍內。另一個感興趣的控制器是RB-Ada-02，因為它是為我們所選擇的微控制器（即Arduino Uno）而開發的。然而，RB-ADA-02的缺點是未來無法安裝額外的Shield。Pololu雙馬達控制器最終被選中，是因為其較低的電壓範圍和價格。

 原著: Coleman Benson/譯者: 阿里哥

文章出處: RobotShop

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