用于機(jī)器人系統(tǒng)的BLDC需要高性能電機(jī)控制

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，可用于移動鉸接系統(tǒng)。電動機(jī)必須能夠在低速時產(chǎn)生相當(dāng)大的扭矩，并且在整個負(fù)載范圍內(nèi)都非常高效。它還需要一個簡單的控制和驅(qū)動機(jī)制。盡管無刷直流電機(jī) (BLDC) 需要更復(fù)雜的控制，但由于其更好的性能，它們正在機(jī)器人應(yīng)用中找到家。

由于生產(chǎn)成本較低，BLDC 電機(jī)越來越受歡迎。尤其是消費級無人機(jī)和電動自行車的到來，導(dǎo)致了 BLDC 電機(jī)的廣泛采用，這些電機(jī)以前僅用于高端工業(yè)應(yīng)用。

在過去的二十年里，開發(fā)這些 BLDC 電機(jī)應(yīng)用的工程師發(fā)生了變化，電機(jī)控制也發(fā)生了變化。今天的工程師更喜歡專注于使他們的設(shè)備設(shè)計獨特的原因，而不是構(gòu)建復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)。工程師們專注于更時尚的設(shè)計，具有最小的外形尺寸、直觀的用戶界面、實時功能、功能安全和云中的數(shù)據(jù)共享。

控制問題

機(jī)器人系統(tǒng)的一個重要部分是電機(jī)控制器?？梢允褂脦追N控制策略來操作機(jī)器人操縱器或機(jī)械臂。所使用的技術(shù)及其實施方式會對機(jī)械手的性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，從而影響可行應(yīng)用的范圍。另一方面，機(jī)械手和驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計會影響可以使用的控制方案的類型。

雖然機(jī)器人的工作通常是在操作空間中描述的，但控制動作是根據(jù)機(jī)器人各個部分的運動在關(guān)節(jié)空間中實現(xiàn)的。因此，研究兩種類型的控制方案是合理的：一種用于聯(lián)合空間，另一種用于操作空間。控制器結(jié)構(gòu)在這兩種方案中都是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，以利用反饋在模型上的潛在未知影響的彈性和最小化干擾影響（如噪聲）方面的好處。

關(guān)節(jié)空間控制問題需要解決機(jī)械手的逆運動學(xué)問題，以將運動要求從操作空間轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間。然后創(chuàng)建控制方案，以便機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動可以遵循預(yù)期的運動。相比之下，操作空間中的控制需要更高水平的計算復(fù)雜性，其中運動學(xué)反演被結(jié)合到閉環(huán)系統(tǒng)中。

需要使用的操作系統(tǒng)以及基于電機(jī)和應(yīng)用需求的各種方法和電路來控制電機(jī)的速度和方向。電機(jī)控制器的目標(biāo)是能夠手動或自動操作電機(jī)（啟停、反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)和電壓過載保護(hù)）。

傳統(tǒng)電機(jī)具有 BLDC 電機(jī)所沒有的許多優(yōu)點。BLDC 和交流驅(qū)動的永磁同步電機(jī) (PMSM) 可以在緊湊的外形尺寸中提供所需的精度和高效率。此外，有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)易于連接和操作，不像 BLDC 和 PMSM，后者更復(fù)雜。

例如，BLDC 使用諸如無傳感器矢量控制（也稱為磁場定向控制或 FOC）等技術(shù)，這些技術(shù)提供了良好的效率和消除傳感器硬件的優(yōu)勢，從而降低了成本并提高了可靠性。設(shè)計人員面臨的問題是無傳感器矢量控制實現(xiàn)起來很復(fù)雜，因此使用它會延長開發(fā)時間、增加成本并可能超過上市時間的預(yù)測。

為了解決這個難題，設(shè)計人員可以求助于開發(fā)平臺，例如德州儀器公司的DRV8301-69M-KIT引擎套件，其中包括一個集成了降壓穩(wěn)壓器和分流放大器的 DRV8301 三相柵極驅(qū)動器以及一個 InstaSPIN-FOC和支持 InstaSPIN-MOTION 的 Piccolo TMS320F28069M 微控制器 (MCU) 板。

盡管設(shè)計復(fù)雜，但 BLDC 的主要優(yōu)勢來自于其結(jié)構(gòu)特性。它們的效率通常比有刷解決方案高 15% 到 20%，由于采用無刷設(shè)計，因此需要較少的維護(hù)，并且在所有額定速度下都能提供平坦的扭矩曲線。在許多應(yīng)用中，由于最近半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、永磁體的改進(jìn)以及對更高效率的需求增加，有刷電機(jī)已被 BLDC 取代。

直流驅(qū)動器

BLDC 使用電子換向，可實現(xiàn)更好的電流切換。它導(dǎo)致更大的扭矩、在寬范圍內(nèi)的精確速度控制以及改進(jìn)的電機(jī)性能。在大多數(shù) BLDC 電機(jī)控制器中都可以找到半橋或半 H 橋電路。這種電路設(shè)計與 H 橋不同，只有兩個開關(guān)：一個高側(cè)晶體管和一個低側(cè)晶體管。

提供單相、兩相和三相 BLDC 電機(jī)。三相類型是最流行的。電機(jī)定子的繞組數(shù)量與相數(shù)相關(guān)，但轉(zhuǎn)子磁極可能是任意數(shù)量的對，具體取決于應(yīng)用。

BLDC 控制的一個基本組件是驅(qū)動器。它是一種電壓輸出功率放大器，用于驅(qū)動半橋電路的大電流高側(cè)和低側(cè) IGBT 柵極。

一個例子是 Power Integrations 400-W BRD1167 和 BRD1267BridgeSwitchIC，它們提供 1.33 A 的連續(xù) RMS 相電流和 11.5 A 的 FREDFET 直流輸出電流。它們是自供電的，采用 InSOP-24C 表面貼裝封裝，就像 BridgeSwitch 家族的其他成員一樣。這些器件支持所有主要的 MCU 和電機(jī)控制方法，可以運行單相或多相高壓同步或異步電機(jī)。所有 BridgeSwitch IC 都包含過流、過壓/欠壓和過熱保護(hù)，簡化了 IEC 60335 和 IEC 60730 認(rèn)證。

另一個例子是 Monolithic Power Systems Inc. 的MP6612D可逆電機(jī)驅(qū)動器，它使用 H 橋。它可以操作直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)繞組和其他負(fù)載。四個 N 溝道功率 MOSFET 和一個內(nèi)部電荷泵在 H 橋中產(chǎn)生柵極驅(qū)動器電壓。DIR 和 ENBL 引腳用于控制輸出。

MP6612D 框圖（來源：Monolithic Power Systems Inc.）

寬帶隙半導(dǎo)體

新興電子應(yīng)用需要能夠從越來越緊湊的平臺中提取更高性能的電機(jī)設(shè)計。依靠經(jīng)典硅 MOSFET 和 IGBT 的電機(jī)驅(qū)動器電路正在努力滿足新標(biāo)準(zhǔn)。隨著硅技術(shù)接近功率密度、擊穿電壓和開關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制的主要后果是在高工作溫度和開關(guān)速率下效率降低和額外的性能問題。

諸如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件之類的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體用于電機(jī)控制，因為它們提供了更快的開關(guān)，這對于在高基頻下運行并需要良好濾波紋波的電機(jī)來說可能是必需的。然而，WBG 器件實現(xiàn)的高開關(guān)速度在提供更高轉(zhuǎn)換效率的同時，也會產(chǎn)生非常快的電壓變化，從而導(dǎo)致高電壓變化率 (dV/dt)，從而對電機(jī)繞組的絕緣造成壓力。因此，電力電子應(yīng)用有兩個主要目標(biāo)：管理熱問題和減小系統(tǒng)尺寸。

德州儀器 (Texas Instruments) 等制造商開發(fā)了 GaN 集成功率器件，有助于從 WBG 器件中獲得最佳性能。例如，LMG5200提供了一個帶有增強(qiáng)型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋布置的高頻 GaN FET 驅(qū)動器供電。

TI 提供 TIDA-00909，這是一種用于高頻電機(jī)驅(qū)動器的參考設(shè)計，該參考設(shè)計采用三相逆變器和三個 LMG5200，以簡化該器件的設(shè)計。對于簡單的性能評估，TIDA-00909 帶有一個合適的接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發(fā)套件。

LMG5200 框圖（來源：德州儀器公司）

另一個例子是 EPC 的EPC9146電源板，它采用 EPC 專有的 GaN IC 技術(shù)將 EPC2152 單片 ePower Stage 與集成柵極驅(qū)動器結(jié)合在一起，并提供 80-V 的最大器件電壓和 15-A 的最大輸出電流。憑借高達(dá) 3 MHz 的 PWM 頻率，它可以滿載運行。EPC9146 提供適用于電源驅(qū)動應(yīng)用的功能，例如具有集成柵極驅(qū)動器的單片功率級、用于管理電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓和溫度感應(yīng)、精確電流感應(yīng)和保護(hù)功能。

EPC9146可與EPC9147系列配套板配對，讓用戶直接通過主流MCU板控制電源板，利用現(xiàn)有資源進(jìn)行快速開發(fā)。

機(jī)器人的復(fù)雜性需要正確的驅(qū)動程序來正確執(zhí)行與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的功能。WBG 半導(dǎo)體用于電機(jī)控制，因為它們允許更快的切換，這對于在高基頻下運行的電機(jī)是必需的。工程師們更愿意專注于讓他們的小工具設(shè)計與眾不同的地方，而不是創(chuàng)建一個復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅