真空吸塵器機器人無感測器設計 @ 路昌工業股份有限公司

真空吸塵器機器人無感測器設計

摘要

感測器為機器人系統之關鍵零組件，協助使用者分析機器人目前狀態資訊，並具有即時偵測與高準確度等特性，使機器人操作更為準確及方便。

真空吸塵器機器人需使用感測器判斷平面空間中的障礙物，決定機器人是否需執行移位轉向操作，以完成清潔工作。

目前機器人所普遍採用的致動器，馬達，具有特殊的電性特性，為電流與轉速之關係，可善用此種電性特性，作為決定機器人是否需要執行移位轉向的控制命令，而不需額外加裝感測器。

研究動機與背景

真空吸塵器機器人，如圖1所示，為目前家庭中最容易見到之機器人，功能需求單純、實用性高及體積小，售價也在一般民眾可負擔之範圍，故能順利的進入家庭生活中，因此在真空吸塵器機器人的發展，使用便利性及成本為其研究發展之主要方向。

真空吸塵器機器人與吸塵器工作結構相同，主要差異在於機器人具有自動位移系統；為達到此一功能，機器人需增加感測器、致動器及人工智能等硬體設備。

人工智能為一控制器，係將由感測器所取得機器人相關資訊，進行資料之處理及判斷，送出相對應之控制訊號給致動器，使致動器依照控制命令運作，故人工智能相當於人類大腦，利用人類各項感官來判斷人體應進行之反應動作。

因應於一般家庭的使用場合，電能之取得及使用最為方便，故機器人大多選擇馬達做為致動器，係因馬達為一機械式的電能與動能間的轉換機構，可將電能輸入轉換為機械動能輸出，以供應機器人工作動能需求。

感測器之種類繁多，依照不同需求而選擇相對應之感測器，如需量測速度資訊，則有速度感測器，如為力回饋系統，則可選用壓力或拉力感測器；感測器將各項數據量測值，轉換為電壓訊號，以進行資料之傳輸與處理。

機器人所需之感測器為空間狀態資訊回授，目前市面上所採用之方式，可分為兩大類型，其一為觸碰式開關感測器，如圖2所示，於機器人主要移動方向，安裝大面積之觸碰開關，當與障礙物或牆面碰撞時，感測器會回授一電子訊號，人工智慧即依照此訊號，控制機器人進行轉向操作。

另一類型即為圖1所使用之非接觸式紅外線距離感測器，此類感測器會主動射出紅外線，量測反射接收時間，計算目前與障礙物之間的距離，將此距離資訊轉換為電子訊號傳送給人工智慧，研判是否需進行轉向操作。

感測器雖然使用方便，但價格卻普通偏高，會依量測範圍、頻寬、解析度及精確度等量測性能之高低而定，從數十至數十萬元不等，故在系統設計中，感測器之使用及選用，會直接影響整體系統生產成本及執行性能。

於機器人中，致動器馬達為電能與動能間的轉換機構，若善加利用，可從馬達之電能資訊得知馬達動能資訊，進而判斷機器人系統目前之運動狀態，來對機器人進行操作控制，即可省略了上述之外部感測器的架設，使得整體機器人系統之成本降低。

真空吸塵器機器人致動器馬達概述

在此將簡介真空吸塵器機器人致動器所使用之永磁直流馬達，說明其工作原理、機械結構及數學模型。

永磁直流馬達之運轉原理

於磁場B作用區域中，放置一長度為L之導體，並有一電流I通過此導體中，則磁場與電場間的交互作用之後，將會產生一作用F於導體上，此作用力稱為羅倫滋力(Lorenz_Force_Law)，此作用力產生之方向符合弗萊明左手定則(Fleming_Right_Hand_Rule)，如下圖3，其數學關係式如(1)所示。

F=BIL (N) (1)

若將導體捲繞成一迴旋形狀，置於磁場B內之有效導體長度為L，而導體迴旋的直徑長度為D，則兩側導體內之電流為相反方向流通，因此兩側導體上所產生作用力F之方向也為相反，造成導體產生旋轉方向運動，此旋轉之力量稱之為轉矩T，如圖4所示，其數學關係式則為(2)式。

T=BILD (Nm) (2)

若持續增加導體數量，則需計算總導體數量N，同時考量電場與磁場間角度關係δ，如圖5所示；則轉矩強度T之計算為磁場強度B乘上電流強度I、導體有效長度L、導體迴旋直徑D、導體數量N及電場與磁場角度Sin δ，如(3)所示。

由此可知永磁直流馬達所產生之輸出轉矩會依照磁場與電場之間角度的不同，而產生週期性轉矩變化，故要維持最大轉矩，則電場與磁場要盡可能保持正交狀態(90°)。

永磁直流馬達之硬體結構

永磁直流馬達，其主要構件可分為外殼、軸承、軸心、碳刷、整流子、轉子矽鋼片、轉子電樞繞阻及定子磁鐵等部份所組合，其組立方式如下圖6所示，圖7為成品解剖圖。

其中定子磁鐵為提供固定磁場之永磁性材料，磁性越強則馬達輸出轉矩越大，但轉速也會因此而降低；轉子矽鋼片則負責協助磁力之傳導，因此需選用具有高導磁性、能快速轉換磁極性及低鐵損之特點的材料，目前大多採用薄層矽鋼片堆疊而成；轉子電樞繞阻則是電場作用之導體，一般皆使用銅材之漆包線，其價格便宜且導電性佳；整流子與碳刷則是用來傳導電源，輸入給電樞繞阻使用的，故整流子與碳刷之結構及位置設計，需具有使電場及磁場作用於正交位置之功能，以達到最大轉矩輸出角度，此為永磁直流馬達製作之要點。

永磁直流馬達之數學模型

永磁直流馬達理想之電性方程式及機械方程式，如下式(4)及(5)所示。

V為輸入電壓，I為輸入電流，R_m為線圈電阻值，L_m為線圈電感值，k_e為反電動勢常數，ω為馬達轉速；J為馬達轉動慣量，α為馬達加速度，k_t為轉矩常數，T_L為馬達負載，B_μ為黏滯係數。

利用式(4)及(5)，可將馬達之模型表示為方塊圖，如下圖8所示，則可容易分析出馬達中，各類的相關參數及電能與動能之間的轉換關係。

永磁直流馬達特性之運用技術

在此將簡介永磁直流馬達使用之特性及方法，並針對特性運用設計相對應之驅動電路。

永磁直流馬達之轉向控制及驅動電路原理

由前面介紹可知，在磁場與電場交互作用下，會產生羅倫滋力，如下圖9所示，作用方向為磁場及電場正交方向，可用弗來明左手定則指出，故改變磁場或電場之方向性，則可改變作用力之方向。

在永磁直流馬達中，磁場為永久磁鐵所提供，其位置固定於外殼上，無法變動，故僅能改變電場作用方向，即為電流流向，然馬達中電源流動路線為單一的，是由一端之碳刷流入整流子部份，經由整流子進入轉子電樞繞阻之後，再回到整流子上，從另一端之碳刷位置流出，故需改變碳刷兩端輸入與輸出之電源方向，以達到改變方向轉動之能力，這就需仰賴外部的電子電路控制電源輸出入位置。

馬達轉向控制驅動電路基本架構如下圖10所示，利用四組功率開關元件(MOSFET)之不同導通路徑，造成輸入電源方向改變，以驅使馬達轉向。

若將MOS1及MOS4導通，則電流會依照紅色箭頭方向流入馬達之中，馬達正向運轉；反之，若導通MOS2及MOS3，則電流會依照藍色箭頭方向流入永磁直流馬達，造成馬達反轉。

永磁直流馬達之轉速控制及驅動電路原理

由前面所介紹之馬達數學模型，推導至馬達穩態運轉時，加速度為零，則(5)式改寫為(6)式；且穩態時電流為一穩定值，電流變化量為零，則(4)式改寫為(7)式

外部負載項T_L會遠大於機械損項B_μω，故(6)式之電流值大多取決於T_L，故為常數值，再代入(7)式中，可推得穩態轉速正比於輸入電壓(

ω∝V)。

由此可知，改變輸入電壓大小，即可改變馬達穩態轉速，故會於驅動電路中加入一脈波寬度調變(PWM)控制電路，藉由控制功率開關元件導通週期之變化，控制流入馬達內之平均電壓大小值，以達到轉速控制之功能，圖11為使用LM555振盪產生器所設計之PWM產生電路。

圖12為模擬功率開關元件加入PWM訊號後，平均輸出電壓變化情況。

電壓輸入為100V之直流電源，加入一導通週期為50% PWM訊號，如粉紅色圖表所示，則會造成輸入電壓在100V與0V之間持續開關變動，如紅色圖表所示，則平均輸入電壓會降至約50V左右，如淺藍色圖表所示，因此當改變PWM訊號導通週期，則平均輸出電壓會為端電壓值乘上導通週期之比例。

永磁直流馬達之轉速估測迴路

從(7)式中，可推得穩態轉速正比於輸入電壓，另一方面，也表示轉速反比於電流，可由圖13所示，永磁直流馬達特性曲線圖明顯地觀察到此一特點。

黑色曲線代表轉速，而電流則為亮綠色曲線，當轉速持續下降時，電流值則快速上升，且電流變化斜率遠高於轉速變化，故當馬達穩定運轉之情況下，可由偵測馬達電流之變化，來判斷目前馬達轉速之變化。

此一電流感測器安裝之位置，如下圖14所示，位於下臂MOS2及MOS4到電路系統接地端之間，此處具有電流流向固定且電位較低等特點，能使電流感測器之回授訊號無正反相變化，若採用電阻式電流量測法，則可降低感測器所造成之功率損失。

真空吸塵器機器人控制

在此將簡介數位訊號控制器，並實際說明真空吸塵器機器人移動相關功能之控制法則及其所需之相關電路

dsPIC30F系列數位訊號控制器簡介

dsPIC30F系列數位訊號控制器係由Microchip Technology所生產，針對馬達驅動器及電源轉換器應用所設計之16位元控制器，最高運算速度可達到30 MIPS(Million Instructions Per Second)，其餘主要規格可參考表1所示。

除了數位訊號處理能力外，此系列還增添了適用於馬達驅動之輔助功能；其具有可直接輸入類比訊號之輸入接腳，可將接收到的類比訊號經由內建之比較器，直接轉換成10位元之數位訊號，以進行內部訊號處理工作；並具有可直接輸出PWM訊號之輸出接腳，不需額外設計PWM電路，使得整體的馬達驅動控制器電路，具有體積小、成本低、穩定度高及使用方便等優點，如下圖15所示，為一完整的馬達控制器電路。

數位訊號控制器轉向控制技術

由上述可知，要改變機器人轉向，需控制馬達驅動器上之功率開關元件導通方向，因此需將控制器之控制命令輸出接腳，如PWM1L、PWM1H、PWM2LH及PWM1H接於功率開關元件之導通訊號接收腳，接線順序如下圖16所示。

若將PWM1H及PWM2L之接腳進行訊號輸出，會驅使MOS1及MOS4導通，使得馬達正轉；反之，若為PWM1L及PWM2H接腳進行訊號輸出，則MOS2及MOS3會導通，馬達反轉。

故控制機器人移動方向，僅需利用兩段式電子開關元件搭配外部轉向命令輸入電路，使得正向開啟CW時，電路輸出為高電位訊號，而反向關閉CCW時，輸出為低電位訊號，等同於數位訊號命令，如下圖17所示。

將轉向命令輸入電路之CW/CCW數位訊號接於控制器的數位訊號輸入接腳上，則控制器即可對輸入訊號執行相對應之控制命令輸出，驅動馬達運轉，造成機器人進行轉向動作。

數位訊號控制器轉速控制技術

由上述可知，機器人移動速度將取決於輸入電壓值的大小，而輸入電壓之大小調整，則是使用PWM技術，此一功能已內建於控制器中，故僅需一外部速度控制命令輸入電路輸入控制命令即可。

此外部速度控制命令輸入電路是利用可變電阻及電阻分壓原理，產生不同電壓變化，為一類比訊號，再將此電壓值輸入控制器中，如下圖18所示。

將此速度控制命令訊號SPEED，經由控制器之類比訊號輸入接腳輸入，進行類比訊號轉換為數位訊號之處理，再轉換為PWM控制命令輸出，驅動馬達運轉，進行機器人移動速度控制。

數位訊號控制器自動轉向控制技術

當機器人行進間遇到阻礙時，其移動速度會降低或無法移動，而由前述可知道，馬達具有運轉速度降低，則電流即大幅度增加之特性，故可藉由偵測馬達內電流之變化，對機器人運動狀態進行研判，而進行自動轉向移動功能。

電流感測器會依電流大小值輸出相對應的電壓大小訊號，故電流感測器回授之訊號為類比型態，將此電流回授類比訊號接於控制器之類比訊號輸入接腳，則控制器將使用此一類比訊號的變化來研判機器人是否遇到障礙物或牆面，而自動執行轉向命令控制訊號輸出，使馬達驅動器之功率開關元件導通，驅動馬達反向運轉，而造成機器人轉向移動，其控制流程如下圖19所示。

系統架構與實驗結果

在此將針對第四章所提出之真空吸塵器機器人控制技術進行實現，分為兩階段式實驗，第一階段先單獨控制永磁直流馬達，達到轉向、轉速及自動轉向控制部份，第二階段將利用軌道車作為移動載具模擬真空吸塵器機器人進行控制。

實驗系統硬體架構

本實驗之真空吸塵器機器人驅動模擬系統包含了一組永磁直流馬達控制器、一組永磁直流馬達驅動器、一個永磁直流馬達及一組移動載具結構，其聯結方式如下圖20所示。

由控制器輸出控制命令給驅動器，而驅動器輸出驅動命令給馬達，同時回授馬達電流資訊給控制器，控制器再依回授訊號輸出相對應之控制訊號，最終將其組合連結之後，放置於移動載具上，驅使移動載具進行移動。

其中控制器之實際電路架構，如同之前所介紹之圖15所示，但為了配合此真空吸塵器機器人驅動模擬系統，放置於移動載具之上，且本系統將採用9V電池作為主要之供應電源，故需加入電源轉換電路，將9V直流電源轉換為5V直流電壓輸出，供給控制器使用，如下圖21所示，係利用7805降壓IC所組成之電路，可將5V以上至36V之間的直流電壓轉換為一穩壓的5V直流電壓輸出。

驅動器之實際電路架構，如下圖22所示，具有四個功率開關元件、兩個閘極驅動IC及一個電流感測器；因功率開關元件之輸入導通電壓範圍為5V至20V皆會開啟，但可通過之電流值大小會受到輸入導通電壓大小值影響，為一正比關係，故一般皆設計輸入導通電壓維持在15V左右，由於永磁直流馬達控制器輸出之控制訊號電壓值約5V左右，仍需額外之閘極驅動IC，藉以提高輸入導通電壓，同時對永磁直流馬達控制器進行高電壓隔離保護作用。

如上所述，為了使功率開關元件導通時可流經較大之電流值，需使用15至20V之間的直流電壓來供應功率開關元件輸入導通使用，同樣地，為了因應本系統之需求，需一併放置於移動載具上，故需設計一直流升壓電路，將系統之9V直流電壓源轉換為17V之直流電壓輸出，供給功率開關元件使用；如下圖23之直流升壓IC電路，係利用LM2577-12升壓IC配合電阻搭配，可設計其輸出電壓值，最大可輸出至60V之直流電壓。

永磁直流馬達及移動載具部份，皆使用原軌道車之配件，重新修改組裝而成。

實驗系統軟體架構

本實驗之控制器係採用dsPIC30F2010數位訊號控制器為主體，其生產廠商Microchip有提供一套免費的整合式開發環境軟體MPLAB IDE，如圖24所示，使用此一開發環境，可免去額外之文字編輯器、組譯器或編譯器等程式工具，僅需搭配一線上即時除錯器ICD2 (In-Circuit Debugger)，如圖25所示，可於同一操作環境下即可執行編輯檔產生、程式除錯及數據燒錄等功能，可輕易的在單機操作，完成程式專案開發工作。

程式編寫部份，該公司提供一學生板之C語言編譯軟體MPLAB_C30_Compiler為發展工具，內建許多數學及週邊函式可應用，提高了程式之可讀性及方便性，甚至可與組合語言相互整合應用，供使用者將原始碼組合編譯並轉換為16進位之編碼檔案輸出，使程式編寫具有高彈性及多元性之特色。

實驗結果

轉向控制實驗

第一階段先針對馬達進行轉向控制實驗，實驗裝置擺設如下圖26所示，係利用ICD2將編寫完成之程式燒錄於控制器中，再使用控制器上之開關元件對驅動器下達控制命令，使電源依控制命令進入馬達中，造成馬達正反向運轉。

此實驗重點在於控制驅動器之功率開關元件導通，需特別注意轉向命令輸入時，是否會產生上下臂之功率開關元件在短時間之內同時導通；一旦此情況發生，則會造成電路短路，電源將不會通過永磁直流馬達，而直接由上臂功率開關元件流經下臂功率開關元件，此路徑之電阻值近似為零，故電流值將大幅度增加，若無任何保護裝置，則會造成驅動器燒毀。

故程式在編寫時，需在轉向控制命令下達時，加入一短路防止時間，如下圖27所示，圖上方為上臂功率開關元件之控制訊號，下方為下臂功率開關元件之控制訊號；當上臂功率開關元件要關閉，而下臂功率開關元件要開啟時，會先等待上臂功率開關元件關閉一段時間之後，才開啟下臂功率開關元件，反之亦然。

圖28及29分別為不同短路防止時間0.1秒及0.4秒之電壓及電流波形圖，其中藍色為馬達上之電壓訊號，粉紅色為馬達內之電流訊號，則當電壓輸入方向改變時，電流值也呈現正負向的改變，即代表馬達之轉向改變。

另可觀察到，當電壓關閉時，電流值會降為零，會量測到馬達反電動勢電壓，而當電壓開啟反向輸入時，則會產生大電流突波，主要因為馬達轉速並未完全停止，故反向時要產生較大的逆向電流抵抗順向轉矩，達到反向運轉之操作，故短路防止時間越長，則轉速也隨之下降越多，則所需之逆向抵抗電流值也較小。

轉速控制實驗

本實驗主要工作在於將0至5V之間可調類比電壓訊號，經由控制器內部程式之編寫設計，直接轉換為一PWM訊號輸出，供給驅動器使用，以達到可同步調整馬達運轉速度之功能。

圖30、31及32為改變PWM值後，造成平均電壓輸出改變之波形圖，其中藍色為馬達上之電壓值，粉紅色則為PWM輸出訊號，利用平均輸出電壓之改變，可改變馬達轉速。

另可觀察到，PWM控制訊號關閉後，馬達上依然會產生一反電動勢電壓，導致平均輸出電壓下降之比例與PWM比例不一致，會受到馬達轉速而影響。

自動轉向控制實驗

自動轉向控制之目標在於使控制器能接收馬達電流回授訊號，再依此回授訊號進行轉向控制之切換，故需於控制器內編寫判斷程式進行控制訊號切換之動作；在整體系統還未整合之前，先使用一組類比電壓訊號模擬電流回授訊號之變化，來檢查馬達控制器之命令是否正確，如下圖33所示，藍色部份為馬達上之電壓訊號，粉紅色為電流模擬類比訊號，當電流模擬類比訊號上升或下降至某一定值時，馬達控制器會送出轉向控制命令，導致馬達上之輸入電壓反向，達到馬達反轉之目的。