为先进机器人系统打造精准电机控制

机器人操作臂可在三个或更多轴上编程，指定机器人（机械臂或本体）的运动。这些操作臂自动控制且无需物理修改即可重编程，适应控制系统的不同应用。最初设计用于恶劣或不可及环境，如今工业系统日益复杂，集成机器人以比人类更精准、更快速的方式执行众多原本手工操作。

机器人系统主要由四大子系统组成：机械、执行器、测量和控制。关键挑战在于：关节运动控制对低速大扭矩的需求，无法有效发挥伺服电机在最佳工况下高速小扭矩的机械特性。

因此，驱动单元的功能是确保电机与负载的转速和扭矩匹配，实现机械扭矩从一方向另一方传递。传动部件还可通过将电机定位在机器人基座来减轻机械结构，改善静态和动态性能。

关节运动由电机驱动，实现机械结构的期望运动。在三大关键类型——永磁、直流有刷、电子换相（无刷）电机中，最能优化低惯量和高定位精度需求的是无刷直流电机（BLDC）。

图 1：无刷直流电机结构图（图片来源：Portescap）

BLDC 无机械换向，有刷电机使用旋转电枢和电刷进行机械换向以建立电气连接。

运动部件减少使无刷电机寿命长，仅受限于滚珠轴承磨损。此外，绕组改善散热和过载能力，相比其他直流方案提供高效率。

因无电刷，BLDC 还表现出优异耐久性和低噪声特性。主要两种结构：表面永磁 (SPM) 和内置永磁 (IPM)。SPM 磁铁贴于转子表面；IPM 磁铁嵌入转子内部。

直流电机与驱动器

BLDC 提供高效率，尤其具备优异扭矩和转速值，广泛应用。采用定子永磁与旋转电枢结合各部件实现电子换相。

BLDC 设计旨在优化扭矩——即电机旋转力大小，与磁铁和线圈绕组相关。磁极对数越多，电机扭矩越大。

例如 Portescap Ultra EC 平台，含 ECS、ECT、ECP 三大家族。这些无刷微型电机家族视扭矩和转速需求适用多种场景。专利 U 线圈带来极低铁损，实现良好效率和更低温运行（图 2）。

图 2：Portescap Ultra EC 电机（图片来源：Portescap）

Maxon Motor AG 的 EC-i 无刷电机提供适合机器人应用的小直径规格。具备高动态和高扭矩特性。

EC-i 家族提供多种尺寸，每种含标准版和高扭矩版，最大额定扭矩达 110 mNm（75 W）。所有版本 EC-i 30 均可扩展编码器、齿轮箱、伺服控制器或定位控制器（图 3）。

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

STMicroelectronics 联合 Maxon 推出新套件加速机器人和工业应用设计。EVALKIT-ROBOT-1 套件提供机器人应用精准定位。

套件含 ST 的 STSPIN32F0A 智能三相控制器和完整逆变器级，由 ST 功率晶体管构建，可直接连接电机。STSPIN32F0A 集成关键电机控制电路，含 STM32F031C6 微控制器和三相逆变器驱动器，封装于紧凑 7×7 mm VFQFPN（图 4）。

电机控制固件让设计师启动电机并发送指令轻松优化项目。套件含 100 W Maxon BLDC 电机（EC-i 40）内置 1024 脉冲增量编码器，另含霍尔传感器用于转子位置检测。

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

BLDC 效率颇高，但满足日益严苛需求的压力要求企业不仅改进电机结构，也优化驱动器。特别是降低整体能耗和优化热管理。

许多设计采用集成驱动器减少外部元件，以及片上系统方案实现高集成度。益处包括节省空间和能源、提升系统可靠性、降低成本。

因 BLDC 无机械换向结构，必须电子实现电流方向切换。波形分两大类：梯形和正弦。受温度限制和成本影响，有时不使用传感器，而是从三相电流或感应电压估算转子（磁铁）位置。

驱动器必须确保正确电机控制，以便按应用控制转速和方向。现代微控制器 (MCU) 完美提供开发高效直流（及交流）电机控制环所需的性能和计算功能。

许多 MCU 支持信号处理功能，允许利用定位数据实时处理复杂算法。这很重要，因为越来越多应用试图消除提供定位数据的传感器。许多 MCU 拥有专为电机控制设计的外设。

例如，瑞萨电子 RL78/G14 微控制器平衡电流消耗与低电流漏电（CPU 运行 66 μA/MHz，待机/STOP 模式 240 nA），提供 51.2 DMIPS（32 MHz）高计算性能。集成安全功能支持家用电器安全标准 IEC/UL 60730。

BLDC 电机驱动更复杂。转速和扭矩由瞬态通断持续比控制，通常用 PWM 信号驱动绕组。单相、两相、三相电机使用进一步增加复杂性。如今许多集成器件用作驱动级。典型包含栅极驱动器驱动外部功率 MOSFET 激励电机最多三相。

电机需大电流，控制电路工作于低电流信号。电机驱动器功能是将低电流控制信号转换为能驱动电机的大电流信号。

Infineon Technologies AG 提供多种集成产品控制变频驱动。iMOTION IC 集成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。另含公司验证的电机控制引擎 (MCE) 算法，消除控制协议开发中的软件编码。

另一省空间方案是 Texas Instruments Inc. (TI) 的智能栅极驱动器。这些驱动器集成无源元件减少板级尺寸、元件数、复杂度和设计成本。也使设计师能优化开关和电磁干扰 (EMI) 性能。

在其丰富驱动器组合中，TI 提供 DRV8313，含三路独立可控半 H 桥驱动器。该器件设计驱动三相无刷直流电机，也可驱动电磁阀或其他负载。集成比较器允许构建限流电路或其他功能。

另一例是东芝电子器件与存储公司的 TC78B025FTG 无刷三相电机驱动器 IC，含闭环转速控制功能。器件工作电压 4.5 V 至 16 V，提供 150° 换相的正弦驱动。典型 0.2 Ω 低导通电阻降低运行自热，支持大驱动电流。

电气隔离

电机设计师普知须符合国际绝缘标准，防外部干扰并确保用户电气安全。数字隔离提供多重优势，含更快响应，允许集成过流保护和减少停机时间。这提供更渐进的输出电压变化，从而改善扭矩控制。

因光耦基于光电技术，是无物理接触确保电气隔离的极稳健方法。相较基于继电器等机电元件的传统方案，优势包括：无磨损运行、互补元件成本相对低、板级空间极小、EMI 免疫、高可靠性、长寿命。

电机驱动应用中，电路两大部分需隔离：桥式逆变器中绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的栅极驱动（一侧集电极/发射极，另一侧栅极驱动），以及电机中的相电流检测。相电流检测为 IGBT 提供保护并向控制器反馈以维持闭环电流控制。

以下是几款适用于机器人应用的光耦示例：

瑞萨电子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 光耦，封装长度 2.5 mm，相比同类器件减少 35% PCB 面积，助力设计师缩小机器人系统尺寸。得益于加强绝缘，RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 使 200 V 和 400 V 系统超越安全标准。所有器件符合严格 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 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 截面视图（图片来源：瑞萨）

东芝 TLP5214 是高集成 4 A 输出电流 IGBT 栅极驱动光耦，SO16L 封装。TLP5214 内置先进功能：IGBT 去饱和检测、隔离故障状态反馈、软关断、有源 Miller 钳位、欠压锁定 (UVLO)。适用于驱动逆变器应用中的 IGBT 和功率 MOSFET。

结论

无论电机用于工业或非工业环境，设计具备精准定位能力的高端运动控制都复杂且要求极高可靠性的驱动方案和最优机械结构。

近年电机还关联无人机和农业 4.0 等新兴机器人应用，得益于快速原型、专用操作系统和集成控制系统等新制造体系，这些领域加速发展。