電機(jī)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新如何幫助解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

從外科手術(shù)到在制造工廠舉起數(shù)千公斤的重量，機(jī)器人簡化了我們生活的許多方面。雖然機(jī)器人對我們現(xiàn)代世界的影響可能是顯而易見的，但你有沒有想過機(jī)器人系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)如此令人印象深刻的精確、快速和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)的？如果你的答案是電機(jī)，你就對了！

機(jī)器人經(jīng)常復(fù)制原本由人類執(zhí)行的動(dòng)作;出于這個(gè)原因，它的功能將包括某種形式的位移或旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整位置和方向 - 通常通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。

傳統(tǒng)用例專注于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，例如手臂操縱或傳送帶循環(huán)，現(xiàn)代用例就像旋轉(zhuǎn)相機(jī)或機(jī)械光束控制激光雷達(dá)傳感器一樣簡單。您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，基本的風(fēng)扇和泵是電機(jī)的基本應(yīng)用，實(shí)際上對冷卻和液壓非常有用。

例如，機(jī)械臂關(guān)節(jié)中的無刷直流 （BLDC） 電機(jī)（如圖 1 所示）往往涉及旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和保持靜止的定子。施加電信號(hào)為定子上的線圈繞組通電會(huì)產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生磁力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子移動(dòng)，從而使機(jī)械臂內(nèi)的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。以正確的方式使用這些電信號(hào)，您的機(jī)械臂不僅會(huì)移動(dòng)，還可以以特定的速度、定位精度和扭矩移動(dòng)。

圖 1：BLDC 電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖

電機(jī)如何推動(dòng)下一代機(jī)器人技術(shù)

除了涉及運(yùn)動(dòng)的精確和強(qiáng)大的任務(wù)外，微控制器（MCU）和集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電機(jī)控制半導(dǎo)體的進(jìn)步正在增強(qiáng)機(jī)器人的移動(dòng)方式。讓我們來看看實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的四個(gè)具體挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：提高安全要求以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作

傳統(tǒng)的安全考慮要求人與機(jī)器人嚴(yán)格分離，通常將機(jī)器人放在籠子里。由于進(jìn)一步的自動(dòng)化需要更緊密的協(xié)作和互動(dòng)，協(xié)作機(jī)器人有助于提高生產(chǎn)力，但需要提供安全停止、安全速度、扭矩和運(yùn)動(dòng)控制的電機(jī)。

C2000

32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在幫助實(shí)現(xiàn)安全要求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些器件可以集成用于診斷的安全外設(shè)，以簡化符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 10218 的設(shè)計(jì)。在模擬端，DRV8353F等智能柵極驅(qū)動(dòng)器可以通過TüV南德意志集團(tuán)批準(zhǔn)的技術(shù)報(bào)告幫助工程師實(shí)現(xiàn)其安全目標(biāo)。本支持文檔指導(dǎo)工程師完成根據(jù)IEC 61800-5-2實(shí)現(xiàn)安全扭矩關(guān)閉所需的設(shè)計(jì)步驟。無論是MCU還是柵極驅(qū)動(dòng)器，擁有某些組件都可以簡化設(shè)計(jì)過程，以實(shí)現(xiàn)功能安全的電機(jī)系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)2：通過分布式電機(jī)架構(gòu)減輕重量、布線和成本

電機(jī)電子設(shè)備正在從控制柜遷移到直接集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)中，有助于減輕重量、布線和系統(tǒng)成本。這一趨勢促使元件制造商開發(fā)解決方案，在更小的集成電路封裝中實(shí)現(xiàn)更多的功能集成?？臻g限制還要求更高的功率密度和電源效率。

氮化鎵場效應(yīng)晶體管（如LMG3422R050）具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器，可將功率級(jí)效率提高到99%以上，從而使集成電機(jī)減少或消除對散熱器的需求。使用MCU的系統(tǒng)（如TMS320F28065）可以產(chǎn)生分辨率為皮秒量級(jí)的脈寬調(diào)制信號(hào)，并具有實(shí)時(shí)通信外設(shè)和絕對編碼器接口。這些功能使得將布線從每個(gè)電機(jī) 10 多根電線減少到整個(gè)機(jī)器人手臂的兩線總線成為可能。除了優(yōu)化功率密度和處理能力外，還可以通過以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（如DP83TG721）添加單對以太網(wǎng)功能，從而在其系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)有線連接。

挑戰(zhàn)3：更高的精度和準(zhǔn)確度，以自動(dòng)執(zhí)行精確的運(yùn)動(dòng)任務(wù)

產(chǎn)品小型化對許多應(yīng)用的電機(jī)選擇（伺服、步進(jìn)、BLDC）都有影響，并且電機(jī)控制和位置反饋的復(fù)雜性與這些較小的產(chǎn)品交互時(shí)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體創(chuàng)新正在實(shí)現(xiàn)支持小型化所需的更高精度。例如，電流傳感器（如AMC3306）具有±50μV偏移，并且還包括一個(gè)集成電源。將這些功能集成到一個(gè)封裝中，既可以提高控制環(huán)路的精度，又可以減小整體印刷電路板尺寸。

挑戰(zhàn)4：優(yōu)化能效，實(shí)現(xiàn)電池供電的移動(dòng)應(yīng)用

機(jī)器人不僅固定在原地;機(jī)器人應(yīng)用程序正在走向移動(dòng)化，被部署以幫助自主交付包裹并安全地探索地形。當(dāng)前和未來的傳感、處理和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的半導(dǎo)體需要在高性能和能效之間取得平衡，以確保合理的電池壽命和可能的行程范圍。

實(shí)現(xiàn)電源效率不一定很復(fù)雜，也不需要采用具有多個(gè)分立元件的復(fù)雜設(shè)計(jì)方法。例如，像MCT8316A這樣的單電機(jī)控制器可以通過減少機(jī)器人中耗電組件的數(shù)量來幫助有效地運(yùn)行小型泵和風(fēng)扇電機(jī)。高度集成的MCT8316A包括六個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，用于形成一個(gè)用于提供電機(jī)電流的半橋功率級(jí)，以及一個(gè)用于簡單梯形電機(jī)控制的數(shù)字內(nèi)核。

電機(jī)控制的下一步是什么？

明天的機(jī)器人肯定會(huì)讓我們感到驚訝，輕松完成今天似乎不可能完成的任務(wù) - 在海洋最深的海溝或未知的太空冒險(xiǎn)中大量操作。新設(shè)計(jì)可能會(huì)采用越來越先進(jìn)的傳感器，正如我們在采用激光雷達(dá)和超聲波技術(shù)時(shí)所看到的那樣。我們與機(jī)器人交流的方法甚至可能會(huì)改變，從過去的有線機(jī)器人到現(xiàn)在更面向軟件的解決方案?？稍L問性的增強(qiáng)可以使機(jī)器人更可靠地通過語音、視覺表達(dá)甚至只是一個(gè)想法來控制。在此過程中，隨著機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，保持它們運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)也必須不斷發(fā)展。

審核編輯 黃宇