通過(guò)采用驅(qū)動(dòng)器板實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制

您已根據(jù)視頻源、其它傳感器、項(xiàng)目目標(biāo)和應(yīng)用細(xì)節(jié)的輸入，確定了機(jī)器人手臂的軌跡和位置。 剩下只有一個(gè)問題——即將所需的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為特定指令，以需要的加速度、速度和減速度驅(qū)動(dòng)手臂的電機(jī)，使其在沒有過(guò)沖和任何電氣問題的情況下（如果存在機(jī)械故障）順利到達(dá)終點(diǎn)。

將來(lái)自系統(tǒng)處理器的低電平數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)本身具體的詳細(xì)指示，是一個(gè)需要多方位考慮的過(guò)程。 此外，這些數(shù)字信號(hào)不具備電機(jī)通常所需的高電壓和高電流。 因此，在實(shí)際電機(jī)的指令和控制之間需要一系列的控制和轉(zhuǎn)換級(jí)（圖 1）。

圖 1：完整的電機(jī)控制信號(hào)路徑由數(shù)字和處理器功能（1、2、3）以及需要截然不同設(shè)計(jì)專長(zhǎng)的模擬和電源電路（4、5）構(gòu)成，具有復(fù)雜的技術(shù)要求。 （使用 Digi-Key Scheme-it 繪制的原理圖）

其中的中間級(jí)是調(diào)用總體任務(wù)（“將杯子從 A 移動(dòng)到 B 并清空內(nèi)容物”）的用戶 I/O（框 1）與實(shí)際執(zhí)行工作的電機(jī)（框 6）之間的關(guān)鍵路徑。 具體包括：

將高級(jí)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的“向前移動(dòng)機(jī)械臂 2 英寸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180 度，然后停止”（框 2）等具體步驟的監(jiān)控處理器；

運(yùn)動(dòng)控制算法處理器（框 3）。 該處理器定義了如何根據(jù)加速度和加速時(shí)段、行進(jìn)速度、減速度和減速時(shí)段以及終點(diǎn)等所需的運(yùn)動(dòng)軌跡因素完成每個(gè)步驟。 然后確定如何驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈，并執(zhí)行這些細(xì)節(jié)。 此外，可用一個(gè)處理器為多個(gè)電機(jī)執(zhí)行此操作，尤其是當(dāng)它們的動(dòng)作相互關(guān)聯(lián)時(shí)。

來(lái)自 (3) 的低電平數(shù)字信號(hào)然后進(jìn)入 MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)器（框 4），它可提供打開/關(guān)閉電源開關(guān) MOSFET/IGBT 所需的特定電壓和電流。 這些驅(qū)動(dòng)器是輕松的低電平數(shù)字信號(hào)與棘手的高功率管理功能之間的接口。 這些驅(qū)動(dòng)器必須與 MOSFET/IGBT 所需的電壓、電流、壓擺率以及開/關(guān)時(shí)段等獨(dú)特驅(qū)動(dòng)參數(shù)相匹配，并且還要適應(yīng) MOSFET/IGBT 可能遇到的開關(guān)瞬態(tài)、過(guò)熱、甚至短路等常見問題。

然后，電源開關(guān)（MOSFET 或 IGBT）以電機(jī)所需的電流/電壓水平（框 6）控制進(jìn)入電機(jī)線圈的電流（框 5）。 請(qǐng)注意，許多但并非所有應(yīng)用還需使用電機(jī)提供的某類傳感器反饋（霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器），以告知處理器該電機(jī)的實(shí)際情形；而有些算法，如磁場(chǎng)定向控制 (FOC)，不需要此類反饋，但需要進(jìn)行額外的計(jì)算并可能降低精度。

根據(jù)電機(jī)和應(yīng)用的情況，電壓可以是個(gè)位數(shù)、兩位數(shù)或更高，而電流范圍則從幾百毫安到幾十安及以上。 MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)器必須與其 MOSFET/IGBT 相匹配；反之，MOSFET/IGBT 也必須匹配該電機(jī)。

有許多不同的電機(jī)類型可供使用，包括步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 或 A 感應(yīng)電機(jī)，每種電機(jī)都具有獨(dú)特的屬性和應(yīng)用場(chǎng)合。 雖然沒有關(guān)于電機(jī)類型及其最適合應(yīng)用的絕對(duì)指南，但步進(jìn)電機(jī)通常用于需要精確起停動(dòng)作的較低功率水平；BLDC 電機(jī)適用于低/中功率范圍，尤其是需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)（和運(yùn)動(dòng)）的場(chǎng)合；而交流感應(yīng)電機(jī)通常成本最低，但精度和可重復(fù)性也較低。

該解決方案的分割

盡管圖中方框 2 - 5 執(zhí)行的功能是單獨(dú)顯示的，實(shí)際上它們可通過(guò)各種方式進(jìn)行組合，具體取決于系統(tǒng)的功率水平和性能要求。 其可能性包括：

監(jiān)控處理器 (2) 的功能和運(yùn)動(dòng)控制算法處理器 (3) 的功能可由一個(gè) CPU 完成。 一般而言，此做法僅在處理器相當(dāng)強(qiáng)大時(shí)才可行，這是因?yàn)樗惴ㄍǔ：軓?fù)雜且需要大量的實(shí)時(shí)計(jì)算。

運(yùn)動(dòng)控制算法處理器 (3) 和 MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)器 (4) 可位于一塊印刷電路板上。 當(dāng)目標(biāo)電機(jī)是單一尺寸和類型，而不是一個(gè)系列，并且使用的 MOSFET/IGBT 也是單一尺寸時(shí)，此做法是極具吸引力的解決方案。 由于運(yùn)動(dòng)控制算法處理器可能是高耗散的 IC，且驅(qū)動(dòng)器也是耗散相對(duì)較高的裝置，因此還需要考慮散熱。

最后，MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)器 (4) 和 MOSFET/IGBT (5) 可位于一個(gè)電路板上，作為處理器 (3) 和電機(jī)負(fù)載 (6) 之間的接口。 這是一種常用配置，因?yàn)樵摻M合通常可作為“替代解決方案”，解決高速、低電平數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換難題、電機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)難題以及任何電機(jī)帶來(lái)的諸多問題等。

由于大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用都是多軸，具有多個(gè)自由度（通常三到六個(gè)），因此部分驅(qū)動(dòng)器板被設(shè)計(jì)為支持多個(gè)電機(jī)。 通過(guò)這種方式，算法處理器可通過(guò)一個(gè)接口向電機(jī)提供控制方向。

最佳的方法是什么？ 正如所有的工程設(shè)計(jì)決策一樣，您需要基于許多因素進(jìn)行權(quán)衡：易用性、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、上市時(shí)間、靈活性、適應(yīng)性、安裝和成本以及性能等。 許多用戶選擇集成式解決方案（模塊或印刷電路板），將 MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)器與 MOSFET/IGBT 本身組合在一起。 使用此方法可最大程度減小對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言最具風(fēng)險(xiǎn)和最具挑戰(zhàn)性的因素，確保驅(qū)動(dòng)器兼容其控制的 MOSFET/IGBT 開關(guān)元件。

此外，它還可讓用戶專注于算法及低電平數(shù)字電路接口，以及特定應(yīng)用中不可避免的瑣碎細(xì)節(jié)。 無(wú)論是作為模塊、印刷電路板還是廠商參考設(shè)計(jì)，這些驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET/IGBT 的組合可謂是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)快速推進(jìn)項(xiàng)目并專注于應(yīng)用性能的最快方式。

上述組合平臺(tái)還集成了大多數(shù)或者所有電路細(xì)節(jié)，如短路保護(hù)、欠壓鎖定和過(guò)熱關(guān)斷等，這是一個(gè)設(shè)計(jì)精良的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)安全性和可靠性所需要的。 此外，通過(guò)在處理器和電機(jī)之間使用不同的中間板，該組合方法還可在使用相同處理器和軟件的同時(shí)輕松支持一系列不同的電機(jī)尺寸。

用戶選擇范圍廣泛

用戶可使用各種各樣的驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET/IGBT 配對(duì)來(lái)處理各種電機(jī)類型和需求。 其目的在于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，進(jìn)而讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專注于應(yīng)用的固件及其不可避免的特性。

我們用一些例子說(shuō)明其中的要點(diǎn)。 對(duì)于中高功率水平的 AC 電機(jī)，如家用電器（洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)、縫紉機(jī)），不妨選擇 STMicroelectronics 的 SLLIMM?（小型低損耗智能集成模塊）元件。

這些集成式電源模塊 (IPM) 設(shè)計(jì)用于三相逆變器，額定值為 8 A/600 V。模塊包含了三個(gè)用于標(biāo)準(zhǔn)逆變橋配置的 IGBT，由隔離的高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，因此用戶不需要提供隔離（隔離不僅涉及到更多的元件和成本，而且需要滿足嚴(yán)格的監(jiān)管要求）。

簡(jiǎn)化型 SLLIMM 框圖（圖 2）無(wú)法顯示裝置的實(shí)際復(fù)雜度。 應(yīng)用原理圖（圖 3）則更加清晰，它顯示了用戶僅需要添加少數(shù)低成本的電容器和部分電阻；所有其他必要元件，如軟恢復(fù)二極管、電平位移器、隔離和保護(hù)，都嵌入在模塊中，并且對(duì)用戶透明。

圖 2：通過(guò)借助 IGBT，將幾乎所有的控制較高功率交流感應(yīng)電機(jī)的電路，集成到帶有強(qiáng)制電流隔離的封裝模塊中，STMicroelectronics SLLIMM 將這種高電壓難題轉(zhuǎn)換為中等難度的項(xiàng)目。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

圖 3：SLLIMM 是低電平微控制器和交流感應(yīng)電機(jī)之間近乎完整的接口，只需要低成本、非關(guān)鍵的無(wú)源元件（大多數(shù)為電容器、部分為電阻、沒有電感器）即可實(shí)現(xiàn)最終的安裝。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

此模塊的輸入是標(biāo)準(zhǔn)的 3.3/5 V TTL/CMOS 信號(hào)，然而它可根據(jù)運(yùn)行、安全性及監(jiān)管要求的需要，在這些輸入和功率輸出之間提供 1500 V 的隔離。 盡管額定功率相當(dāng)高，但模塊尺寸小巧，約 38 mm 長(zhǎng)、25 mm 寬，僅 3.5 mm 厚。

對(duì)于含多個(gè) BLDC 電機(jī)的應(yīng)用，不妨了解 Cypress Semiconductor 的 CY8CKIT-037 PSoC 4 電機(jī)控制評(píng)估套件，它可通過(guò)在常用 H 橋配置中布置的 MOSFET，處理最多四個(gè)電機(jī)（圖 4）。 這些電機(jī)可以是永磁同步電機(jī) (PMSM)、步進(jìn)電機(jī)和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。 該套件旨在通過(guò) Arduino 微控制器板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并允許用戶實(shí)現(xiàn)并評(píng)估電機(jī)控制算法。

圖 4：Cypress Semiconductor 的 CY8CKIT-037 PSoC 4 電機(jī)控制評(píng)估套件包括運(yùn)動(dòng)控制項(xiàng)目所需的一切，包括電源、電機(jī)、電纜，甚至螺絲刀。 （圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor）

驅(qū)動(dòng)器板（圖 5 和圖 6）與電機(jī)相連；它包含 DC/DC 電源電路、雙 H 橋電路、電機(jī)電流及總線電壓采樣與處理電路、保護(hù)電路、用戶配置電路以及控制器板連接器。

關(guān)聯(lián)的 CY8CKIT-042 控制器板將從 Arduino 板接收信號(hào)，執(zhí)行控制策略的算法，然后生成驅(qū)動(dòng)器板的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 此外，該套件還支持使用霍爾效應(yīng)傳感器提供的反饋，為控制器更新電機(jī)的實(shí)際位置（以及速度和加速度），實(shí)現(xiàn)密閉的閉環(huán)性能。但是，該套件也可與無(wú)傳感器的 FOC 設(shè)計(jì)配合使用。

圖 5：CY8CKIT-037 驅(qū)動(dòng)器板配有全部連接器（以及方便互聯(lián)的螺紋端子）、USB 接口、霍爾效應(yīng)反饋傳感器接口以及 Arduino 接口，所有器件均易于連接使用。 （圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor）

圖 6：CY8CKIT-037 驅(qū)動(dòng)器板框圖顯示了其為 Arduino 型微控制器板和電機(jī)之間的完整接口提供的諸多功能，包括管理 H 橋電機(jī)以及提供位置反饋（如果需要）。 （圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor）

SparkFun 的 Big Easy 驅(qū)動(dòng)器 ROB-12859 是一款用于電機(jī)的額定值為每相位 1.4 - 1.7 A、通過(guò)適當(dāng)散熱可達(dá)到 2 A 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器板（圖 7），支持并推動(dòng)著采用低功率步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用趨勢(shì)。 該驅(qū)動(dòng)器板的核心是 Allegro A4988 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC，它支持全步模式以及 1/2、1/4、1/8 和 1/16 步的微步進(jìn)控制。

圖 7：SparkFun 的 Big Easy 驅(qū)動(dòng)器 ROB-12859 采用 Allegro A4988 IC 作為其核心元件，可對(duì)額定電壓在 30 V 以內(nèi)的中/小功率步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。 （圖片來(lái)源：SparkFun）

關(guān)聯(lián)的微控制器板（如 Arduino）和 Big Easy 驅(qū)動(dòng)器之間的互連十分簡(jiǎn)單。 它只需要該板提供兩個(gè)控制信號(hào)（一個(gè)用于“步進(jìn)”，一個(gè)用于“方向”），并生成啟動(dòng)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定時(shí)功率信號(hào)，這樣可最大程度地降低微控制器的處理負(fù)載。 它可接受高達(dá) 30 V 的最高電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，并含有板載 5 V/3.3 V 穩(wěn)壓器，因此僅需一個(gè)外部電源。

結(jié)論

對(duì)于許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，為機(jī)器臂或類似應(yīng)用開發(fā)運(yùn)動(dòng)/電機(jī)控制解決方案的挑戰(zhàn)和挫折在于如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路和目標(biāo)電機(jī)之間的接口。 而該工作需要不同的設(shè)計(jì)專長(zhǎng)來(lái)處理各種功率水平（電流和電壓）、模擬問題、布局限制、電路保護(hù)功能，實(shí)際電機(jī)與其 MOSFET/IGBT 之間的兼容性以及 MOSFET/IGBT 與其驅(qū)動(dòng)器之間的兼容性等。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有較大的選擇余地，極大簡(jiǎn)化了這一問題。 設(shè)計(jì)人員可通過(guò)多個(gè)來(lái)源獲得提供基本接口功能以及必要安全和保護(hù)元件的、適合不同功率水平和電機(jī)類型的模塊和印刷電路板。