電機(jī)驅(qū)動(dòng)如何滿足真空機(jī)器人的發(fā)展要求

隨著世界變得越來(lái)越自動(dòng)化，使用常規(guī)立式吸塵器清潔房屋感覺(jué)苦不堪言。自2002年首臺(tái)真空機(jī)器人上市以來(lái)，清潔機(jī)器人的功能和可用選項(xiàng)大幅增加。事實(shí)上，許多優(yōu)質(zhì)機(jī)器人真空吸塵器目前已進(jìn)入第六代。

推動(dòng)這一變化的因素- 無(wú)論是比喻含義還是字面含義 - 是使您的現(xiàn)代真空機(jī)器人流暢運(yùn)行的一個(gè)器件 - 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。如同今天的家用機(jī)器人助手一樣，電驅(qū)動(dòng)的尺寸持續(xù)縮小，同時(shí)性能也在提高。

在本文中，我將回顧真空機(jī)器人的主要特點(diǎn)和當(dāng)前趨勢(shì)，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)如何幫助滿足這些要求。

展望未來(lái)，預(yù)計(jì)真空機(jī)器人將變得不那么笨拙（換言之，不那么容易迷失方向）且運(yùn)行更快。設(shè)計(jì)尺寸也將繼續(xù)縮小，使他們能夠清潔諸如廚柜或低間隙家具之類的狹窄部位。

真空機(jī)器人設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電池壽命和可靠性是真空機(jī)器人面臨的兩大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。大多數(shù)真空機(jī)器人都是電池供電的，并從電源座充電。真空機(jī)器人的典型框圖如圖1所示。

圖1：真空機(jī)器人的部分

電機(jī)是真空機(jī)器人的重要組成部分。如何驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及使用何種電機(jī)驅(qū)動(dòng)決定電池壽命和可靠性。

讓我們回顧一下控制真空機(jī)器人消耗的大部分功率的主要系統(tǒng)模塊、所涉及的主電機(jī)，以及確定哪種電機(jī)驅(qū)動(dòng)將控制并降低功耗的系統(tǒng)要求：

·真空機(jī)器人的主吸力是通過(guò)一個(gè)運(yùn)行在3到4A的電機(jī)來(lái)完成的，通常具有高達(dá)8A的峰值電流。效率和全面保護(hù)是關(guān)鍵要求。該電機(jī)通常由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以降低噪音并提高效率。

·兩個(gè)雙向輪使用有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。早期型號(hào)只能向一個(gè)方向移動(dòng)，但雙向輪在解鎖機(jī)器人或使其從困難的位置改變方向時(shí)非常有用。這些是低速電機(jī)，帶典《1A的典型均方根（RMS）額定電流。與光滑的瓷磚或硬木地板相比，需要更好的扭矩在諸如地毯等更粗糙的地板類型移動(dòng)。另一個(gè)關(guān)鍵要求是監(jiān)控輸出電流，且如果電流持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，則向微控制器（MCU）發(fā)送反饋，這可能表明真空機(jī)器人卡住了。

·主刷使用位于真空機(jī)器人中心的有刷電機(jī)，用于攪動(dòng)和拉動(dòng)地板上的污垢。這是一款中速電機(jī)，額定RMS電流約為3A。

·取決于真空機(jī)器人和品牌的類型，可能有一個(gè)或兩個(gè)單向側(cè)刷以中速運(yùn)行。這些側(cè)刷通過(guò)向內(nèi)朝向機(jī)器人的中心旋轉(zhuǎn)而將污垢驅(qū)動(dòng)到主刷上。RMS電流額定值《1A。

我提及的大多數(shù)電機(jī)都是有刷電機(jī)，RMS電流額定值從1A到3A不等，

在前幾代真空機(jī)器人中，跨分流電阻的外部電流感應(yīng)處理輸出電流的監(jiān)測(cè)和感應(yīng)。這些分流電阻器體積大，價(jià)格昂貴，占用了電路板上的大量空間。使用外接笨重的高值分流電阻也會(huì)增加功耗，從而減少機(jī)器人的電池使用時(shí)間。

圖3所示為早期一代真空機(jī)器人的框圖，其中DRV8870需要外部分流電阻來(lái)感應(yīng)電流，而外部放大器則需要向MCU發(fā)送反饋。這需要額外的電路板空間，增加成本，并增加了布線復(fù)雜性和維護(hù)。

將DRV8870替換為DRV8874或DRV8876無(wú)需感應(yīng)電阻和放大器，因?yàn)殡娏鞲袘?yīng)反饋在內(nèi)部發(fā)生，如圖2所示。

圖2：驅(qū)動(dòng)雙向電機(jī)，將DRV8870替換為DRV8874或DRV8876的示例

圖3所示為DRV8870和DRV8876之間分流電阻尺寸的減小。

圖3：DRV8870和DRV8876的外部分流電阻尺寸

如果電機(jī)需要為雙向型（如在車輪或主刷電機(jī)中），則驅(qū)動(dòng)需要兩個(gè)輸入（N1和N2），以使用兩個(gè)MCU管腳驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

真空機(jī)器人還具有單向側(cè)刷。使用單向驅(qū)動(dòng)時(shí)，DRV8874或DRV8876只需要一個(gè)輸入管腳（EN管腳），從而減少M(fèi)CU引腳，如圖4所示。

圖4：使用DRV8874或DRV8876驅(qū)動(dòng)單向電機(jī)

DRV8874和DRV8876具有多種優(yōu)勢(shì)，可延長(zhǎng)電池壽命和可靠性。集成電流感應(yīng)無(wú)需外接分流電阻器，節(jié)省了材料成本和空間，同時(shí)顯著減少了設(shè)計(jì)工作量。

電流感應(yīng)的增加也無(wú)需用于反饋的外接增益放大器。這些器件的低睡眠電流和無(wú)龐大的分流電阻有助于降低功耗并延長(zhǎng)真空機(jī)器人的電池壽命，而內(nèi)部電流感應(yīng)可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)失速監(jiān)控，以確定電機(jī)是否卡在某個(gè)位置，或者是否有車輪老化或磨損。要了解有關(guān)內(nèi)部電流感應(yīng)和IPROPI的更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文檔［1］。

DRV887x系列有刷電機(jī)采用Pin-2管腳RDS（on）可擴(kuò)展型，可覆蓋高達(dá)10A的寬范圍峰值電流。DRV8876采用3mm×3 mm四方扁平無(wú)管腳封裝。

隨著真空機(jī)器人的實(shí)用性增加，它們的功耗和再充電所需的時(shí)間也增加。通過(guò)添加集成功能，DRV8876和DRV8874可在節(jié)省空間和成本的同時(shí)降低總體功耗，從而有助于解決公用事業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。