为机器人系统设计电机控制

机器人操纵器可在三个或更多轴上编程，指定机器人的运动，机械臂或身体。这些机器人机械手无需物理修改即可自动控制和重新编程，它们适用于控制系统的不同应用。最初设计用于在恶劣或难以接近的环境中处理应用程序，如今的工业系统越来越复杂，并且集成了机器人技术，这些机器人技术能够以比人类更精确、更快的方式执行许多以前的手动操作。

机器人系统主要由四个子系统组成：机械、执行器、测量和控制。一个关键挑战是，关节运动控制对低速和高扭矩的要求不允许有效利用伺服电机的机械特性，相反，这在最佳操作条件下产生高速和低扭矩。

因此，驱动单元的功能是确保电机与负载的速度和扭矩兼容，并实现机械扭矩从一个传递到另一个。传动部件还可以通过将电机定位在机器人底座上来减轻机械结构，从而提高静态和动态性能。

关节运动委托给允许机械结构所需运动的电机。在永磁、直流（有刷）和电子换向（无刷）电机这三种关键类型中，最能满足低惯量和高定位精度要求的一种是无刷直流电机，即 BLDC。

图 1：无刷直流电机图（图片：Portescap）

与使用机械开关的有刷电机相比，BLDC 没有机械开关，其中使用带电刷的旋转电枢进行电气连接。

运动部件的减少使无刷电机的使用寿命更长，仅受滚珠轴承磨损的限制。此外，绕组提高了散热和过载能力，与其他直流解决方案相比具有更高的效率。

由于没有电刷，BLDC 还表现出出色的耐用性和低噪音特性。有两种主要类型的结构：表面永磁体（SPM）和内部永磁体（IPM）。 SPM 电机的磁铁附着在转子表面的外部。相反，IPM 电机将永磁体嵌入转子本身。

直流电机和驱动器

BLDC 提供高效率，但最重要的是，它提供了许多应用中使用的出色扭矩和速度值。它们使用固定磁铁和旋转电枢，结合各种部件来提供电子开关。

BLDC 的设计旨在优化扭矩，该扭矩代表电机的旋转力大小，并与磁铁和线圈绕组有关。磁体中的极对数越多，电机转矩越大。

一个例子是 Portescap 的 Ultra EC 平台，它由三个系列组成——ECS、ECT 和 ECP。根据扭矩和速度要求，这些无刷微型电机系列可用于各种应用。获得专利的 U 型线圈可将铁损降至最低，从而提供良好的效率和更低的运行温度（图 2 ).

图 2：Portescap 的 Ultra EC 电机（图片：Portescap）

Maxon Motor AG 的 EC-i 无刷电机可提供适用于机器人应用的小直径电机。它们的直径为 30 毫米，具有高动态和高扭矩的特点。

EC-i 系列有多种尺寸可供选择，每一种都有标准版本和高扭矩版本，在 75 W 时最大额定扭矩高达 110 mNm。在所有版本中，EC-i 30 电机都可以扩展带有编码器、齿轮箱、伺服控制器或定位控制器（图 3 ).

图 3：Maxon Motor 的 EC-i 电机（图片：Maxon Motor）

STMicroelectronics 与 Maxon 合作开发了一种新套件，以加速机器人和工业应用的设计。 EVALKIT-ROBOT-1 套件可在机器人应用中提供精确定位。

该套件包含 ST 的 STSPIN32F0A 智能三相控制器和一个完整的逆变器级，内置 ST 功率晶体管，可随时连接到电机。 STSPIN32F0A 包含关键的电机控制电路，包括一个 STM32F031C6 微控制器和一个采用紧凑型 7 × 7 毫米 VFQFPN 封装的三相逆变器驱动器（图 4 ).

电机控制固件允许设计人员启动引擎并开始发送命令以轻松优化他们的项目。该套件包括带有内置 1024 脉冲增量编码器的 100 瓦 Maxon BLDC 电机 (EC-i 40)。还包括用于转子位置检测的霍尔传感器。

图 4：ST EVALKIT-ROBOT-1 开发套件（图片：STMicroelectronics）

BLDC 电机非常高效，但要满足日益严格的要求，公司不仅要改进电机的结构，还要改进驱动器。特别是，他们正在努力降低整体能源消耗并优化热管理。

在许多情况下，这些设计包含可最大限度减少所需外部组件数量的集成驱动器和可实现高度集成的片上系统解决方案。好处包括节省空间和能源、提高整体系统可靠性并降低成本。

由于 BLDC 没有以机械方式切换电流方向的结构，因此必须以电子方式进行切换。波形可分为两种主要类型：梯形和正弦形。由于温度限制和成本的原因，有时会在不使用传感器的情况下根据三相电流或感应电压估计转子（磁铁）的位置。

驱动程序必须确保正确的电机控制，以便他们可以在应用中相应地控制速度和方向。现代微控制器 (MCU) 非常适合提供为直流（和交流）电动机开发高效控制回路所需的性能水平和计算功能。

许多 MCU 支持信号处理功能，允许使用定位数据实时处理复杂的算法。这很重要，因为越来越多的应用程序正试图消除提供定位数据的传感器。有许多 MCU 具有专为电机控制应用设计的外设。

例如，瑞萨电子的 RL78/G14 微控制器平衡了电流消耗水平和低电流消耗水平（CPU 工作时为 66 μ/MHz，待机或停止模式下为 240 nA），提供了高计算性能51.2 DMIPS (32 MHz)。集成安全功能支持家用电器安全标准IEC/UL 60730。

在 BLDC 电机中，驱动也变得更加复杂。速度和扭矩由瞬态的开/关持续时间比控制；通常，这采用用于驱动绕组的 PWM 信号的形式。这种情况因使用单相、两相和三相电机而进一步复杂化。今天，许多集成设备被用作驱动阶段。通常，它们包括用于驱动外部功率 MOSFET 的栅极驱动器，这些功率 MOSFET 用于激励电机的多达三相。

电机需要大量电流，而控制器电路则以低电流信号运行。所以电机驱动器的作用就是把一个低电流的控制信号转换成一个可以驱动电机的高电流信号。

Infineon Technologies AG 提供各种用于控制变速驱动器的集成产品。 iMOTION IC 集成了无传感器磁场定向控制 (FOC) 所需的所有控制和模拟接口功能。此外，它们采用了公司经过验证的电机控制引擎 (MCE) 算法，可从控制协议开发过程中消除软件编码。

另一个节省空间的是德州仪器 (TI) 的智能栅极驱动器。这些驱动器集成了无源元件以减少电路板尺寸、元件数量、复杂性和设计成本。它们还使设计人员能够优化开关和电磁干扰 (EMI) 性能。

在其广泛的驱动器产品组合中，TI 提供具有三个独立可控半 H 桥驱动器的 DRV8313。该设备旨在驱动三相无刷直流电机，但也可用于驱动螺线管或其他负载。集成比较器允许构建限流电路或其他功能。

另一个例子是东芝电子器件与存储公司的具有闭环速度控制功能的 TC78B025FTG 无刷三相电机驱动器 IC。该器件在 4.5 V 至 16 V 的电压范围内工作，并提供正弦驱动150° 切换。 0.2Ω（典型值）的低导通电阻降低了IC在工作过程中的自发热，从而扩展了对高驱动电流的支持。

电气隔离

一般来说，电动机的设计者都知道他们必须符合国际绝缘标准，以防止来自外部来源的干扰并确保用户的用电安全。数字隔离的使用提供了几个好处，包括更快的响应，这允许集成过流保护和减少停机时间。这提供了更渐进的输出电压变化，从而改善了转矩控制。

由于光电耦合器基于光电技术，因此它们是一种极其可靠的方法，可确保在没有任何物理接触的情况下实现电气隔离。与基于使用继电器等机电组件的传统方法相比，这提供了许多优势。主要优势包括无磨损运行、相对较低的互补组件成本、最小的电路板空间、EMI 抗扰度、高可靠性和长使用寿命。

在电机驱动应用中，电路的两个主要部分需要隔离：绝缘栅双极晶体管或 IGBT（一侧有集电极和发射极，另一侧由栅极驱动的器件）的栅极驱动，桥式逆变器和电机中的电流相位检测。相电流检测为 IGBT 提供保护并反馈给控制器以保持对闭环电流的控制。

以下是一些可用于机器人应用的光电耦合器示例：

瑞萨电子公司的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 光电耦合器的封装长度为 2.5 毫米，与类似设备相比，其 PCB 面积可减少 35%，从而帮助设计人员减小机器人系统的尺寸。由于其增强绝缘，RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 允许 200-V 和 400-V 系统超过安全标准。所有设备均符合严格的 UL61800-5-1 电机控制标准和 UL61010-2-201，适用于 PLC 等控制系统（图 5 ).

图 5：瑞萨电子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的横截面图（图片：瑞萨）

东芝的 TLP5214 是一款高度集成的 4A 输出电流 IGBT 栅极驱动光电耦合器，采用 SO16L 封装。 TLP5214 具有先进的内置功能，例如 IGBT 去饱和检测、隔离式故障状态反馈、IGBT 软关断、有源米勒阻断和欠压阻断 (UVLO)。适用于驱动逆变器应用中使用的IGBT和功率MOSFET。

结论

无论电机是用于工业还是非工业操作环境，具有精确定位能力的高端运动控制的设计都很复杂，需要极其可靠的驱动解决方案和优化的机械结构。

近年来，电动机还与无人机和农业 4.0 等新兴机器人应用相关联，得益于快速原型制作、专用操作系统和集成控制系统等新制造系统，这些应用得到了加速发展。