如果说机器人各类技术中哪个要求最特别，真空机电机控制系统当仁不让。作为机器人各个部位中最需要接近甚至超越人类行为的环节，电机控制系统是机器人动起来过程中必不可少的环节，更是决定机器人性能和功能的最关键环节。
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202411/464800.htm如果类比到人体的各个部位，电机控制就是人体的各个关节，据统计人体中有明确命名的关节就78种，还有一些没有明确名字的细小关节，关节在人体中的复杂性和多样性可见一斑。而对于机器人特别是最近爆火的人形机器人来说，不仅要在很多动作上像人类看起，更要在部分关节实现比人类关节甚至动物关节更多的活动方向，真正实现超越大自然的“鬼斧神工”。
当然电机控制系统本身并不是机器人应用独有的，或者可以说电机控制是数字化时代最普遍的应用大门类，在电动车应用爆火之前的统计数据表示，全球电能的46%-47%消耗在各类电机应用中，现在这个数据可能接近50%了。在庞大的电机产品系列中，直流电机(DC Motor)、步进电机(Stepper Motor)、伺服电机(Servo Motor)、无刷直流电机(BLDC Motor)在不同类型机器人中得到了广泛的应用，此外，机器人用电机系统还包括减速器、传感器、执行器等其他关键技术和组件。相比于传统的电机控制系统，机器人应用的电机控制存在着诸多特定的要求，综合起来主要围绕提高性能、降低成本、增强智能化和灵活性以及提升能效等多个方面进行扩展。
一、 电机在机器人中的作用
电机在机器人中扮演着核心角色，是机器人实现各种功能的关键部件，负责如下几个方面的重要功能。
能量转换：电机能够将电能转换为机械能，为机器人提供动力。这是电机在机器人中最基本的作用，使得机器人能够执行各种运动。
驱动关节：在机器人中，电机通常用于驱动关节，实现机器人的转动、移动和抓取等功能。通过精确控制电机的旋转角度和速度，可以确保机器人关节的精确运动。
实现复杂动作：机器人需要执行各种复杂的动作，如行走、抓取、搬运等。这些动作的实现离不开电机的支持。电机通过精确控制输出扭矩和转速，使机器人能够完成各种任务。
提升机器人性能：电机的性能直接影响到机器人的整体性能。高性能的电机可以提供更大的输出扭矩和转速，使机器人具有更强的负载能力和更快的响应速度。
在各类机器人应用中，电机提供了各式各样的活动能力，比如在工业机器人中，电机通常用于驱动机械臂、传送带和其他执行机构。在移动机器人中，电机通常用于驱动轮子、履带等移动机构。在人形机器人中，电机通常用于驱动关节和执行器。例如，特斯拉的人形机器人Optimus就采用了无框力矩电机来驱动其关节和执行器，实现了类似人类的灵活运动。
二 机器人应用的电机技术特点
机器人用电机控制是一个涉及多个方面和组件的复杂系统。通过选择合适的电机类型、应用先进的控制算法以及集成其他关键技术和组件，可以实现机器人对电机转速、位置和转矩的精确控制，从而满足各种任务需求。
机器人中的电机技术特点主要体现在以下几个方面：
一是高精度与定位能力，机器人中的电机通常采用闭环或半闭环控制，通过编码器和反馈机制实现高精度的位置、速度和加速度控制。这种高精度控制对于机器人执行精细操作至关重要。重复定位精度同样重要，电机在多次执行相同动作时应具备高度的重复性，确保每次都能达到相同的位置和姿态。这对于机器人执行重复性任务尤为重要。
二是高动态响应性能，机器人中的电机需要具备快速响应外部环境变化和指令的能力。这要求电机能够在短时间内迅速调整输出扭矩和转速，以满足机器人的快速运动需求。此外，为了实现快速启动和停止，电机应具备高加速度和减速度能力。这有助于机器人在执行复杂动作时保持高效和稳定。
三是大扭矩与高负载能力，机器人中的电机通常需要提供足够的扭矩来驱动机器人的关节和执行器。特别是在执行重负载任务时，电机应具备大扭矩输出能力。同时，电机应能够承受机器人工作过程中的各种负载变化，确保机器人的稳定运行和可靠工作。
四是高能效与节能性，机器人中的电机应具备高效的电能转换能力，将电能高效地转换为机械能，减少能量损耗和发热量。通过优化电机的结构和控制算法，可以实现节能降耗的目的。这对于延长机器人的工作时间和降低运行成本具有重要意义。
五是紧凑化与轻量化设计，为了适应机器人紧凑的内部空间，电机通常采用紧凑化设计，减小体积和重量，提高空间利用率。电机采用轻质高强度的材料制造电机外壳和内部组件，有助于减轻机器人的整体重量，提高机器人的灵活性和运动性能。
六是智能化与集成化趋势，随着人工智能技术的发展，机器人中的电机逐渐融入智能控制算法，实现自适应控制、故障诊断和预测维护等功能。电机与其他传感器、控制器和执行器紧密集成，形成高度一体化的系统。这种集成化设计有助于提高机器人的整体性能和可靠性。
七是多样化的电机类型，直流电机具有良好的启动和调速特性，而交流电机则具有结构简单、维护方便等优点。根据机器人的不同需求选择合适的电机类型。伺服电机具备高精度、高动态响应和高负载能力等特点，适用于需要高精度控制的机器人系统；而步进电机则具有结构简单、成本低廉等优点，适用于一些对精度要求不高的场合。力矩电机通常用于需要大扭矩输出的机器人关节和执行器；而空心杯电机则因其体积小、重量轻、效率高等特点，在机器人灵巧手等部件中得到广泛应用。
基于这些技术发展趋势，电机控制系统对各个技术细节提出了更高的要求，最主要的特点就是多元化和智能化，其中以高性能功率半导体器件的应用和控制算法优化最为基础。碳化硅（SiC）MOSFET提供了更高的开关频率、更低的导通和开关损耗，从而提高了电机驱动系统的效率和功率密度。SiC MOSFET的发展使得电机控制系统可以在更小的封装内提供更大的功率，同时减小系统的体积和重量，不过在很多机器人应用中，SiC器件的价格、尺寸和功耗都比较高，只在部分工业机器人应用不可或缺。而对其他大部分应用来说，智能功率模块（IPM）和功率集成模块（PIM）集成了功率开关、驱动电路、保护功能等，简化了电机的设计并减少了系统体积，同时提高了可靠性和性能。为了提高系统集成度和降低整体成本，未来的电机控制系统将越来越倾向于集成化设计。例如，将驱动器、控制器、传感器和其他组件集成到单个模块中。此外，模块化设计使得电机驱动更加灵活，便于根据不同的机器人需求进行扩展和定制。通过标准化接口和模块化组件，开发者可以快速集成不同类型的电机和传感器。
智能化是机器人中电机系统的另一个主要趋势，智能化革命很早就蔓延到电机控制领域，比如采用正弦波控制和磁场定向控制（FOC）具有更高的效率和更低的噪音，逐渐取代了许多梯形波控制方案。为了提高电机控制的精确性和可靠性，位置传感器技术得到了快速发展。这些传感器能够实时监测电机的运行状态，确保电机在复杂环境中的稳定运行。一些先进的电机控制系统集成了专门的AI加速单元（如NPU），以增强算法处理能力，实现性能的飞跃。这使得电机控制系统能够支持更强大的电机检测功能，提升系统的稳定性和可靠性。先进的电机控制系统还具备故障检测和诊断功能，能够在故障发生时及时报警并采取相应措施，避免事故的发生。随着物联网技术的发展，未来的电机控制系统将能够通过物联网实现远程监控和控制。通过数据分析优化电机的运行参数，提高系统的能效和可靠性。
针对高能效和节能性的需求，能量回收技术开始广泛应用在电机控制系统中，特别是在再生制动系统中，将制动时产生的能量回收并重新利用，提高系统的能效。这种技术在新能源汽车领域已经得到了广泛应用，未来也将逐渐扩展到机器人领域。此外，通过优化控制算法和采用更高效的功率半导体器件，实现电机驱动系统的高效节能。
三 人形机器人与空心杯电机
近年来，随着机器人逐渐从工业和物流等应用向大众服务市场演进，人形和类人形机器人的应用越来越广泛，并且逐渐成为机器人产业增长的最大热点。人形机器人相比于传统机器人在电机控制方面，存在一系列特殊的技术要求。
比如人形机器人需要模拟人类的精细动作，因此电机控制必须具备极高的定位和控制精度。这要求电机控制系统能够精确控制电机的转动角度、速度和加速度，以实现机器人关节的精准运动。另一方面，人形机器人在执行任务时，需要更为快速响应外部环境的变化和指令的调整。因此，电机控制系统必须具备快速的响应速度，能够在短时间内调整电机的输出，以适应机器人的动态需求。
人形机器人需要执行复杂多变的动作，如行走、跑步、跳跃等，这就要求电机控制系统具备高动态性能。电机需要能够在短时间内产生大的扭矩和功率，以满足机器人对高动态性能的需求。相比于其他固定机器人或者轮式机器人，人形机器人在运动过程中，电机控制系统需要保持稳定性，避免因外部干扰或内部参数变化而导致的系统失稳，特别的，人形机器人的应用场景可能更为负责，这就要求控制系统具备良好的鲁棒性和抗干扰能力。
如文章开头提及，人体拥有近80种关节，映射到人形机器人就需要各个电机系统的多轴同步性。人形机器人拥有多个关节和执行器，这些关节和执行器需要协调运动以实现复杂的任务。电机控制系统必须具备多轴同步控制的能力，确保各个关节和执行器能够按照预定的轨迹和时序进行运动。此外，为了实现高效的运动控制，电机控制系统需要具备运动规划与控制的能力。系统需要根据任务需求和外部环境的变化，实时规划出最优的运动轨迹和控制策略，并调整电机的输出以实现这些策略。
此外，人形机器人需要适应不同的环境和任务需求，因此电机控制系统需要具备智能控制算法。这些算法能够根据机器人的实际运行情况和外部环境的变化，自动调整控制参数和策略，以实现最优的控制效果。特别的，智能化时代要求人形机器人的电机控制系统需要具备自适应能力，能够根据机器人的负载变化、磨损情况等自动调整控制参数和策略，以保持系统的稳定性和性能。人形机器人通常需要在复杂多变的环境中长时间运行，因此电机控制系统必须具备高可靠性。系统需要能够长时间稳定运行，避免出现故障和失效。电机控制系统也需要具备耐久性，能够承受机器人长时间运行和频繁动作带来的磨损和疲劳。这要求系统具备良好的散热设计、材料选择和制造工艺等。
特别的，人形机器人在与人类交互的过程中，需要保持低噪音水平，以避免对人类造成干扰。因此，电机控制系统需要采用低噪音的电机和驱动技术，以降低机器人的运行噪音。同时人形机器人的电力供应多数以电池供电为主，为了降低机器人的能耗和运行成本，电机控制系统需要具备高能效比。这要求系统能够高效地转换电能为机械能，减少能量损耗和浪费。
空心杯电机是一种具有独特结构和性能优势的微型伺服直流电机。其高效率、小尺寸、轻量化、高精度和高响应速度等特点使其在众多领域得到广泛应用，并展现出巨大的市场潜力和发展前景。随着智能社会的发展和新技术的不断涌现，空心杯电机的需求量不断增加。特别是在人形机器人、灵巧手等高端应用领域，空心杯电机的市场前景广阔。
空心杯电机具有突出的节能特性，其能量转换效率通常在65-85%以上，部分产品甚至可达90%以上。相比传统电机，空心杯电机在同等功率下能够显著减少能耗，提升人形机器人的能源利用效率。特别是空心杯电机采用无铁芯结构，彻底消除了铁心产生的涡流和磁滞损耗，进一步提高了能源利用效率。
人形机器人对电机尺寸和重量的要求更为苛刻。空心杯电机通常尺寸较小，直径一般不超过40mm，非常适合用于空间受限的人形机器人关节驱动。这种小尺寸设计使得人形机器人能够更灵活地执行各种动作。空心杯电机重量轻，有助于减轻人形机器人的整体重量，提升其运动性能和灵活性。
在高精度与高响应速度方面，空心杯电机具备高精度的控制能力，能够满足人形机器人对关节运动的精确控制需求。这有助于提升人形机器人的操作精度和稳定性。同时，空心杯电机响应速度快，通常在十毫秒级别，远快于传统电机的机械时间常数。这使得人形机器人能够更迅速地响应指令和外部环境的变化。
人形机器人对低噪音与长寿命同样让空心杯电机脱颖而出，空心杯电机运行时产生的噪音较低，有助于提升人形机器人的整体性能和用户体验。在需要安静环境的场合下，这一特点尤为重要。空心杯电机采用无刷结构，减少了机械磨损和故障率，延长了使用寿命。这有助于降低人形机器人的维护成本和运行成本。
综上所述，空心杯电机在人形机器人中的应用价值体现在高效能与节能特性、小尺寸与轻量化设计、高精度与高响应速度、低噪音与长寿命以及广泛应用场景等多个方面。随着人形机器人技术的不断发展和市场需求的不断扩大，空心杯电机的应用前景将更加广阔。
