機(jī)器人高性能電機(jī)控制設(shè)計(jì)師指南

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，《電力電子新聞》主編

機(jī)器人操縱器可在三個(gè)或更多軸上進(jìn)行編程，這些軸指定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是機(jī)械臂還是身體。這些機(jī)器人機(jī)械手無(wú)需物理修改即可自動(dòng)控制和重新編程，并且可以適應(yīng)控制系統(tǒng)的不同應(yīng)用。最初設(shè)計(jì)用于處理惡劣或人跡罕至的環(huán)境中的應(yīng)用程序，如今的工業(yè)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，并集成了機(jī)器人，這些機(jī)器人以比人類(lèi)更精確和更快的方式執(zhí)行許多以前的手動(dòng)操作。

機(jī)器人系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成：機(jī)械、執(zhí)行器、測(cè)量和控制。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制對(duì)低速和高扭矩的要求不允許有效利用伺服電機(jī)的機(jī)械特性，相反，在最佳操作條件下產(chǎn)生高速和低扭矩。

因此，驅(qū)動(dòng)單元的功能是確保電機(jī)和負(fù)載的速度和扭矩兼容，并能夠?qū)C(jī)械扭矩從一個(gè)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)。傳動(dòng)部件還可以通過(guò)將電機(jī)定位在機(jī)器人底座上來(lái)減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，從而提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)委托給允許機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行所需運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。在永磁、直流（有刷）和電子換向（無(wú)刷）電動(dòng)機(jī)這三種關(guān)鍵類(lèi)型中，最能優(yōu)化低慣性和高定位精度要求的是無(wú)刷直流電機(jī)或 BLDC。

圖 1：無(wú)刷直流電機(jī)圖（圖片：Portescap）

與使用機(jī)械開(kāi)關(guān)的有刷電機(jī)相比，BLDC 沒(méi)有機(jī)械開(kāi)關(guān)，其中帶電刷的旋轉(zhuǎn)電樞用于進(jìn)行電氣連接。

運(yùn)動(dòng)部件的減少使無(wú)刷電機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)，僅受滾珠軸承磨損的限制。此外，繞組改善了散熱和過(guò)載能力，與其他直流解決方案相比提供了更高的效率。

由于沒(méi)有電刷，BLDC 還具有出色的耐用性和低噪音特性。主要有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型：表面永磁體（SPM）和內(nèi)部永磁體（IPM）。SPM 電機(jī)的磁鐵附在轉(zhuǎn)子表面的外部。相反，IPM 電機(jī)將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子本身。

直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器 BLDC 提供高效率，但最重要的是，在許多應(yīng)用中都具有出色的扭矩和速度值。他們使用帶有旋轉(zhuǎn)電樞的固定磁鐵，該電樞結(jié)合了各種部件以提供電子開(kāi)關(guān)。

BLDC 的設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化扭矩，扭矩代表電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力大小，與磁鐵和線圈繞組有關(guān)。磁體中的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)轉(zhuǎn)矩就越大。

一個(gè)例子是 Portescap 的 Ultra EC 平臺(tái)，它由三個(gè)系列組成——ECS、ECT 和 ECP。根據(jù)扭矩和速度要求，這些無(wú)刷微型電機(jī)系列可用于各種應(yīng)用。獲得專(zhuān)利的 U 型線圈提供最小的鐵損，從而提供良好的效率和更冷的操作（圖 2）。

圖 2：Portescap 的 Ultra EC 電機(jī)（圖片：Portescap）

Maxon Motor AG 的 EC-i 無(wú)刷電機(jī)具有適合機(jī)器人應(yīng)用的小直徑。它們的直徑為 30 毫米，具有高動(dòng)態(tài)和高扭矩的特點(diǎn)。

EC-i 系列有多種尺寸可供選擇，每種都有標(biāo)準(zhǔn)版和高扭矩版，在 75 W 時(shí)最大額定扭矩高達(dá) 110 mNm。在所有版本中，EC-i 30 電機(jī)都可以擴(kuò)展帶有編碼器、齒輪箱、伺服控制器或定位控制器（圖 3）。

圖 3：Maxon Motor 的 EC-i 電機(jī)（圖片：Maxon Motor）

STMicroelectronics 與 Maxon 合作開(kāi)發(fā)了一種新套件，以加速機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)。EVALKIT-ROBOT-1 套件可在機(jī)器人應(yīng)用中提供精確定位。

該套件包含 ST 的 STSPIN32F0A 智能三相控制器和一個(gè)完整的逆變器級(jí)，內(nèi)置 ST 功率晶體管，可連接到電機(jī)。STSPIN32F0A 包含關(guān)鍵的電機(jī)控制電路，包括一個(gè) STM32F031C6 微控制器和一個(gè)采用緊湊型 7 × 7-mm VFQFPN 封裝的三相逆變器驅(qū)動(dòng)器（圖 4）。

電機(jī)控制固件允許設(shè)計(jì)人員啟動(dòng)引擎并開(kāi)始發(fā)送命令以輕松優(yōu)化他們的項(xiàng)目。該套件包括一個(gè) 100 W Maxon BLDC 電機(jī) (EC-i 40)，內(nèi)置 1024 脈沖增量編碼器。還包括用于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的霍爾傳感器。

圖 4：ST EVALKIT-ROBOT-1 開(kāi)發(fā)套件（圖片：意法半導(dǎo)體）

BLDC 電機(jī)非常高效，但為了滿足日益嚴(yán)格的要求，公司不僅要改進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，還要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)。特別是，他們正在努力降低整體能源消耗并優(yōu)化熱管理。

在許多情況下，這些設(shè)計(jì)包含可最大限度減少所需外部組件數(shù)量的集成驅(qū)動(dòng)器和可實(shí)現(xiàn)高集成度的片上系統(tǒng)解決方案。好處包括節(jié)省空間和能源、提高整體系統(tǒng)可靠性和降低成本。

由于 BLDC 沒(méi)有機(jī)械方式切換電流方向的結(jié)構(gòu)，因此必須以電子方式完成。波形可分為兩種主要類(lèi)型：梯形和正弦。由于溫度限制和成本，有時(shí)不使用傳感器，根據(jù)三相電流或感應(yīng)電壓估計(jì)轉(zhuǎn)子（磁鐵）的位置。

驅(qū)動(dòng)程序必須確保正確的電機(jī)控制，以便他們可以在應(yīng)用中相應(yīng)地控制速度和方向?，F(xiàn)代微控制器 (MCU) 非常適合提供為直流（和交流）電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)高效控制回路所需的性能水平和計(jì)算功能。

許多 MCU 支持信號(hào)處理功能，允許使用定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的算法。這很重要，因?yàn)樵絹?lái)越多的應(yīng)用程序正試圖消除提供定位數(shù)據(jù)的傳感器。有許多 MCU 具有專(zhuān)為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的外設(shè)。

例如，瑞薩電子的 RL78/G14 微控制器平衡了電流消耗水平和低電流消耗水平（CPU 運(yùn)行時(shí)為 66 μ/MHz，待機(jī)或 STOP 模式下為 240 nA），提供高計(jì)算性能51.2 DMIPS (32 MHz)。集成的安全功能支持家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn) IEC/UL 60730。

在 BLDC 電機(jī)中，驅(qū)動(dòng)器也變得更加復(fù)雜。速度和扭矩由瞬態(tài)的開(kāi)/關(guān)持續(xù)時(shí)間比控制；通常，這采用用于驅(qū)動(dòng)繞組的 PWM 信號(hào)的形式。這種情況因使用單相、兩相和三相電機(jī)而變得更加復(fù)雜。今天，許多集成設(shè)備被用作驅(qū)動(dòng)級(jí)。通常，它們包括柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)用于激勵(lì)多達(dá)三相電機(jī)的外部功率 MOSFET。

當(dāng)控制器電路在低電流信號(hào)上運(yùn)行時(shí)，電機(jī)需要大量電流。所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用就是把低電流的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的大電流信號(hào)。

Infineon Technologies AG 提供各種用于控制變速驅(qū)動(dòng)器的集成產(chǎn)品。iMOTION IC 集成了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 所需的所有控制和模擬接口功能。此外，它們還采用了公司經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電機(jī)控制引擎 (MCE) 算法，該算法消除了控制協(xié)議開(kāi)發(fā)過(guò)程中的軟件編碼。

另一個(gè)節(jié)省空間的是德州儀器 (TI) 的智能柵極驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器集成了無(wú)源元件，以減少電路板尺寸、元件數(shù)量、復(fù)雜性和設(shè)計(jì)成本。它們還使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化開(kāi)關(guān)和電磁干擾 (EMI) 性能。

在其廣泛的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中，TI 為 DRV8313 提供了三個(gè)可單獨(dú)控制的半 H 橋驅(qū)動(dòng)器。該器件設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷直流電機(jī)，但也可用于驅(qū)動(dòng)螺線管或其他負(fù)載。集成比較器允許構(gòu)建限流電路或其他功能。

另一個(gè)例子是 Toshiba Electronic Devices & Storage Corp 的具有閉環(huán)速度控制功能的 TC78B025FTG 無(wú)刷三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC。該器件采用 4.5 V 至 16 V 電壓范圍的電源工作，并提供正弦驅(qū)動(dòng)150°切換。0.2 Ω（典型值）的低導(dǎo)通電阻降低了 IC 在工作期間的自發(fā)熱，從而擴(kuò)展了對(duì)高驅(qū)動(dòng)電流的支持。

電氣隔離一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)人員都知道，必須遵守國(guó)際絕緣標(biāo)準(zhǔn)，以防止來(lái)自外部源的干擾，并確保用戶的電氣安全。數(shù)字隔離的使用提供了幾個(gè)好處，包括更快的響應(yīng)，允許集成過(guò)流保護(hù)并減少停機(jī)時(shí)間。這提供了更漸進(jìn)的輸出電壓變化，從而改善了扭矩控制。

由于光電耦合器基于光電技術(shù)，因此它們是一種非?？煽康姆椒ǎ纱_保在沒(méi)有任何物理接觸的情況下實(shí)現(xiàn)電氣隔離。與基于使用繼電器等機(jī)電元件的傳統(tǒng)方法相比，這提供了許多優(yōu)勢(shì)。主要優(yōu)點(diǎn)包括無(wú)磨損運(yùn)行、互補(bǔ)組件成本相對(duì)較低、電路板空間最小、抗電磁干擾、高可靠性和長(zhǎng)使用壽命。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，電路的兩個(gè)主要部分需要隔離：絕緣柵雙極晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)，或 IGBT（一側(cè)具有集電極和發(fā)射極，另一側(cè)由柵極驅(qū)動(dòng)的器件），橋式逆變器和電機(jī)中的電流相位檢測(cè)。相電流檢測(cè)為 IGBT 提供保護(hù)并為控制器提供反饋，以保持對(duì)閉環(huán)電流的控制。

以下是一些可用于機(jī)器人應(yīng)用的光電耦合器示例：

Renesas Electronics Corp. 的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 光電耦合器封裝長(zhǎng)度為 2.5 mm，與類(lèi)似器件相比，PCB 面積減少了 35%，有助于設(shè)計(jì)人員減小機(jī)器人系統(tǒng)的尺寸。由于增強(qiáng)絕緣，RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 允許 200-V 和 400-V 系統(tǒng)超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)。所有設(shè)備均符合嚴(yán)格的 UL61800-5-1 電機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)和 UL61010-2-201，適用于 PLC 等控制系統(tǒng)（圖 5）。

圖 5：瑞薩電子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的橫截面圖（圖片：瑞薩電子）

Toshiba 的 TLP5214 是一款高度集成的 4A 輸出電流 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)光電耦合器，采用 SO16L 封裝。TLP5214 具有先進(jìn)的內(nèi)置功能，例如 IGBT 去飽和檢測(cè)、隔離故障狀態(tài)反饋、軟 IGBT 關(guān)斷、有源米勒阻斷和欠壓阻斷 (UVLO)。它適用于驅(qū)動(dòng)逆變器應(yīng)用中使用的 IGBT 和功率 MOSFET。

結(jié)論無(wú)論電機(jī)是用于工業(yè)還是非工業(yè)操作環(huán)境，具有精確定位能力的高端運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)都是復(fù)雜的，需要極其可靠的驅(qū)動(dòng)解決方案和優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，電動(dòng)機(jī)也與無(wú)人機(jī)和農(nóng)業(yè) 4.0 等新興機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，得益于快速原型制作、專(zhuān)用操作系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)等新制造系統(tǒng)，這些應(yīng)用得到了加速發(fā)展。

審核編輯 黃昊宇