29 Июня 2026

Режимы работы бесколлекторных электродвигателей в составе робототехнических манипуляторов

Режимы работы бесколлекторных двигателей в робототехнических манипуляторах характеризуются многообразием нагрузочных ситуаций, требующих гибких алгоритмов управления. Разработки НПО «Андроидная техника» демонстрируют успешное применение бесколлекторных электродвигателей в отечественных робототехнических комплексах, включая робота FEDOR (Skybot F-850), космического робота «Теледроид».

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC) стали основой современной робототехники благодаря высокой мощности, надёжности и точности позиционирования. В составе робототехнических манипуляторов работают в сложных переменных режимах, что требует специальных подходов к управлению.

Основные режимы работы BLDC-двигателей в робототехнических манипуляторах

1. Режим управления по току (Torque Mode)
   Этот режим является базовым для всех остальных. В нём контроллер стабилизирует ток в обмотках двигателя, обеспечивая заданный момент на валу. Для манипуляторов этот режим критически важен при работе с переменной нагрузкой, например, при удержании груза или преодолении сил сопротивления в сочленениях. В данном режиме двигатель может работать как в режиме тяги, так и в генераторном режиме, возвращая энергию при торможении.
2. Режим управления по скорости (Speed Mode)
   В этом режиме замкнутый контур управления поддерживает заданную скорость вращения вала, компенсируя внешние возмущения, такие как изменение нагрузки. Это особенно актуально для выполнения траекторных движений, когда звено манипулятора должно двигаться с постоянной скоростью независимо от его положения и веса переносимого объекта. Для повышения качества управления в этом режиме часто применяются компенсационные методы, например, наблюдатели возмущений, которые улучшают скоростные характеристики без увеличения коэффициентов усиления регулятора.
3. Режим управления по положению (Position Mode)
   Это высший уровень управления, который чаще всего используется в сервоприводах манипуляторов. Контур положения получает целевую координату от системы более высокого уровня и вычисляет необходимую траекторию движения. Ошибка рассогласования между текущим и целевым положением обрабатывается ПИД-регулятором (или более сложным алгоритмом), который формирует задание для контура скорости. Именно этот режим обеспечивает ту самую точность позиционирования в доли миллиметра, которая требуется при выполнении тонких операций.

Особенность вертикальных манипуляторов заключается в том, что нагрузка на валу двигателя изменяется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота звена. В горизонтальном положении момент нагрузки минимален, а при отклонении на 90° достигает максимума. Это требует адаптивных алгоритмов управления, способных поддерживать постоянную скорость независимо от положения.

Системы управления и методы регулирования BLDC-двигателей в робототехнических манипуляторах
Современные системы управления строятся по каскадной схеме, включающей три контура регулирования: внешний контур положения, средний контур скорости и внутренний контур тока.

В научной литературе рассматриваются различные подходы к управлению:

• Скользящие режимы управления — обеспечивают робастность при наличии неопределённостей в кинематических и динамических моделях.
• Fuzzy-PID регуляторы — демонстрируют преимущества перед классическими ПИД-регуляторами при работе с переменной нагрузкой, характерной для вертикальных манипуляторов.
• Оптимальное управление с рекуперацией энергии — позволяет использовать генераторные режимы работы BLDC-двигателей для подзарядки накопителей энергии, что повышает энергоэффективность робототехнических манипуляторов.

Каскадная структура управления с обратными связями по току, скорости и положению обеспечивает высокую точность позиционирования и плавность движений, что критически важно для выполнения тонких операций. Дальнейшее совершенствование систем управления и расширение функциональных возможностей BLDC-двигателей остаются перспективными направлениями развития робототехнических манипуляторов.

Дзен | Макс

170