電機(jī)驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)新如何助力應(yīng)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

從輔助外科手術(shù)到在制造工廠里舉起數(shù)千公斤的重物，機(jī)器人為我們生活的許多方面提供了便利。機(jī)器人對(duì)現(xiàn)代化世界的影響顯而易見，但您是否思考過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)如此精確、快速和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)？如果答案是通過(guò)電機(jī)，那么恭喜您回答正確！

機(jī)器人往往是模仿本應(yīng)由人類執(zhí)行的操作；有鑒于此，它的功能主要包括通過(guò)某種形式的位移或旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整位置和方向，這些運(yùn)動(dòng)一般通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景主要專注于機(jī)械驅(qū)動(dòng)（如手臂操縱或傳送帶循環(huán)），而現(xiàn)代應(yīng)用場(chǎng)景則簡(jiǎn)單得多，就像相機(jī)旋轉(zhuǎn)或精準(zhǔn)機(jī)械光束轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)傳感器。您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的基本應(yīng)用是最基礎(chǔ)不過(guò)的風(fēng)扇和泵，但實(shí)際上卻對(duì)散熱和液壓起著重要作用。

舉例來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)中的無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)（如圖 1 所示）通常包括旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和保持靜止的定子。應(yīng)用電信號(hào)使定子上的線圈繞組通電能夠形成磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生磁力，使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂內(nèi)的關(guān)節(jié)。合理使用電子信號(hào)，機(jī)械臂不僅僅會(huì)運(yùn)動(dòng)，更能夠以特定的速度、位置精度和扭矩運(yùn)動(dòng)。

圖 1：BLDC 電機(jī)結(jié)構(gòu)橫截面圖

電機(jī)如何驅(qū)動(dòng)下一代機(jī)器人

除了涉及到運(yùn)動(dòng)的精確和強(qiáng)大任務(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)步正在優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)卻面臨著 4 大挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的安全性要求不斷提高

過(guò)去，出于安全性考慮，人類和機(jī)器人需要嚴(yán)格分離，通常是將機(jī)器人放在籠子里。自動(dòng)化程度的提高需要更緊密的人機(jī)協(xié)作和互動(dòng)，協(xié)作機(jī)器人有助于提高工作效率，但需要能夠確保安全停止、安全速度、扭矩和運(yùn)動(dòng)控制的電機(jī)。

C2000

32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在幫助滿足安全性要求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些器件的功能安全性經(jīng)過(guò)認(rèn)證，可以集成用于診斷的安全外設(shè)，從而簡(jiǎn)化符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 10218 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。在頻譜的模擬端，DRV8353F 等智能柵極驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)經(jīng) TüV SüD 認(rèn)證的技術(shù)報(bào)告幫助工程師實(shí)現(xiàn)其安全目標(biāo)。該支持文件可指導(dǎo)工程師完成根據(jù) IEC 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)安全扭矩關(guān)閉所需的設(shè)計(jì)步驟。無(wú)論是 MCU 還是柵極驅(qū)動(dòng)器，借助某些元件都可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)功能安全的電機(jī)系統(tǒng)。

挑戰(zhàn) 2：通過(guò)分散式電機(jī)架構(gòu)減輕重量、簡(jiǎn)化布線并降低成本

電機(jī)電子設(shè)備正從采用控制柜轉(zhuǎn)為直接集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)中，這有助于減輕重量、簡(jiǎn)化布線并降低系統(tǒng)成本。這一趨勢(shì)促使元件制造商致力于開發(fā)能在更小巧的集成電路封裝內(nèi)集成更多功能的解決方案?？臻g限制也要求具備更高的功率密度和電源效率。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（如 LMG3422R050）集成了柵極驅(qū)動(dòng)器，可以將功率級(jí)效率提高到 99% 以上，從而使集成電機(jī)減少或消除對(duì)散熱器的需求。借助實(shí)時(shí)通信外設(shè)和絕對(duì)編碼器接口，采用 TMS320F28065 等 MCU 的系統(tǒng)可以產(chǎn)生分辨率為皮秒級(jí)的脈寬調(diào)制信號(hào)。這些特性實(shí)現(xiàn)了將布線從每個(gè)電機(jī) 10 多條電纜減少到整個(gè)機(jī)械臂共兩條總線。在此配置中使用 MCU 和 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（如 DP83TG721）添加單對(duì)以太網(wǎng)功能來(lái)優(yōu)化有線連接。

挑戰(zhàn) 3：實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)任務(wù)自動(dòng)化需要更高的精度和準(zhǔn)確度

產(chǎn)品小型化對(duì)許多應(yīng)用的電機(jī)選擇（伺服、步進(jìn)或無(wú)刷直流電機(jī)）產(chǎn)生了一定影響，并且電機(jī)控制和位置反饋復(fù)雜性隨之提高，以便能夠?qū)崿F(xiàn)與這些小型產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)的精確運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體創(chuàng)新使實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化所需的更高精度成為可能。例如， AMC3306 等電流傳感器具有± 50μV 失調(diào)電壓和集成式電源。將這些特性集于一個(gè)封裝中，既可以提高控制回路的精度，又可以縮減印刷電路板的整體尺寸。

挑戰(zhàn) 4：優(yōu)化電源效率，實(shí)現(xiàn)電池供電的移動(dòng)應(yīng)用

機(jī)器人并不只是固定于一處，其應(yīng)用正趨向于移動(dòng)化，用于幫助自動(dòng)遞送包裹和安全探索地形。當(dāng)前和未來(lái)用于感應(yīng)、處理和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的半導(dǎo)體需要在高性能和電源效率之間實(shí)現(xiàn)平衡，從而確保合理的電池使用壽命和可能的行程范圍。

實(shí)現(xiàn)高電源效率并不一定十分復(fù)雜，也不需要使用多個(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(guò)減少機(jī)器人中功耗元件的數(shù)量來(lái)有效地操作小型泵和風(fēng)扇電機(jī)。這款高度集成的器件包括六個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可形成用于輸送電機(jī)電流的半橋功率級(jí)，以及一個(gè)數(shù)字核心，無(wú)需編寫代碼即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的梯形電機(jī)控制。

電機(jī)控制的未來(lái)發(fā)展前景如何？

未來(lái)的機(jī)器人定會(huì)超乎想象，它們能輕松完成今天看來(lái)不可能完成的任務(wù) - 頻繁在海洋最深的海溝中作業(yè)，或在未知的太空中冒險(xiǎn)。新型設(shè)計(jì)可能會(huì)采用越來(lái)越先進(jìn)的傳感器，正如我們目前所看到的激光雷達(dá)和超聲波技術(shù)。從過(guò)去的有線機(jī)器人到現(xiàn)在更多地采用面向軟件的解決方案，我們與機(jī)器人交流的方式甚至可能發(fā)生變化。可訪問(wèn)性的增強(qiáng)使得能夠通過(guò)語(yǔ)音、視覺表達(dá)甚至僅僅是思維來(lái)更可靠地控制機(jī)器人。在這種演變過(guò)程中，隨著機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)所需的電機(jī)也勢(shì)必不斷發(fā)展。

審核編輯 黃宇