【導讀】電機是機器人執行器系統的關(guān)鍵部件，負責機器人的移動(dòng)和控制。根據電磁原理，電機可將電能轉化為機械能，從而為機器人的物理運動(dòng)提供動(dòng)力?，F在，機器人可以完成從簡(jiǎn)單的輪子旋轉到非常復雜的醫療手術(shù)等操作，這一過(guò)程通常由機器人控制器來(lái)掌控，它們通過(guò)向電機發(fā)送控制信號以達到執行這些動(dòng)作的目的。因此，機器人中選定的電機及其驅動(dòng)方案在很大程度上決定了機器人的精度、速度、扭矩以及其他重要的性能屬性。
電機是機器人執行器系統的關(guān)鍵部件，負責機器人的移動(dòng)和控制。根據電磁原理，電機可將電能轉化為機械能，從而為機器人的物理運動(dòng)提供動(dòng)力?，F在，機器人可以完成從簡(jiǎn)單的輪子旋轉到非常復雜的醫療手術(shù)等操作，這一過(guò)程通常由機器人控制器來(lái)掌控，它們通過(guò)向電機發(fā)送控制信號以達到執行這些動(dòng)作的目的。因此，機器人中選定的電機及其驅動(dòng)方案在很大程度上決定了機器人的精度、速度、扭矩以及其他重要的性能屬性。
機器人中使用的電機類(lèi)型
機器人中使用的電機有多種類(lèi)型，包括直流電機、伺服電機和步進(jìn)電機等，每種電機都具有獨特的功能，適用于各種應用。
1、直流電機
直流（DC）電機是機器人技術(shù)中使用非常多的電機類(lèi)型，它們的使用和控制簡(jiǎn)單，有良好的速度范圍。直流電機又分為有刷和無(wú)刷兩種類(lèi)型。
有刷直流電機：這些電機由旋轉電樞、固定定子和換向器組成。電刷與換向器進(jìn)行物理接觸，因此該類(lèi)型電機相對容易控制。然而，由于電刷會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而磨損，因此需要時(shí)常更換，從而導致維護成本較高。
無(wú)刷直流電機：無(wú)刷直流（BLDC）電機是使用電子換向的電機類(lèi)型中的一個(gè)例子。它們使用控制器來(lái)改變電流的方向，而不是使用電刷。由于無(wú)刷直流電機去除了電刷，唯一磨損的部件只有軸承，因此它們擁有更好的性能、更低的電噪聲以及更高的可靠性。相比較而言，無(wú)刷直流電機比有刷電機更高效、更可靠，使用壽命更長(cháng)，但無(wú)刷直流電機需要硬件/軟件控制系統來(lái)進(jìn)行正確的速度和扭矩調節，在成本上可能要高于有刷電機。
2、伺服電機
伺服電機由直流電機、齒輪箱、電位計和控制電路組成，以精確度高著(zhù)稱(chēng)。伺服電機的位置可以使用脈寬調制（PWM）信號進(jìn)行非常精確的控制，特別適合那些需要精確運動(dòng)控制的應用。
3、步進(jìn)電機
步進(jìn)電機的工作方式與直流電機和伺服電機不同，它們以較高的移動(dòng)精度提供了對位置和速度的卓越控制。步進(jìn)電機采用數字控制方案，在低速時(shí)具有高扭矩，非常適合需要將負載長(cháng)時(shí)間保持在特定位置的應用。
相信大家已經(jīng)注意到，在機器人中很少看到交流電機的應用。這個(gè)現象的出現主要有以下幾個(gè)原因：
一是控制復雜。相對而言，直流電機的控制較簡(jiǎn)單，它們能提供恒定且穩定的電流，便于管理速度、扭矩和方向。伺服電機和步進(jìn)電機基本上也屬于直流設備，可提供對位置、速度和加速度的卓越控制。而交流電機需要依靠交流電源的頻率來(lái)控制電機的參數，這使得它們在速度和扭矩方面的管理變得很復雜。
二是電源效率低。大多數機器人系統使用電池作為主要電源，提供的是直流電。將直流電轉換為交流電必須要有額外的組件，一方面增加了電機控制系統的復雜性，另一方面降低了電源效率。
三是尺寸和重量無(wú)優(yōu)勢。直流電機尤其是無(wú)刷直流電機可以提供高扭矩與重量比，使其更適合移動(dòng)機器人應用。在移動(dòng)機器人應用中，極小化重量是至關(guān)重要的考量因素。交流電機尤其是感應電機，在相同的功率輸出下往往更重。
盡管有這些不足，交流電機在一些工業(yè)機器人中有時(shí)會(huì )被用于需要高功率和高速度而不是高精度的特定任務(wù)。例如，交流感應電機可以用于驅動(dòng)自動(dòng)化工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)中的傳送帶。
BLDC電機的控制及驅動(dòng)設計
無(wú)刷直流電機（BLDC）與其他類(lèi)別的電機（如有刷電機）相比具有一些顯著(zhù)的優(yōu)勢。具體表現為：在任何負載條件下BLDC都能準確調節其性能，同時(shí)具有更高的效率和更低的響應時(shí)間，且幾乎無(wú)需維護。這些特性使得BLDC廣泛應用于從極小的電機驅動(dòng)器（如計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器）到電動(dòng)汽車(chē)（EV），以及機器人和工業(yè)自動(dòng)化中使用的大機械臂等各種應用中。下面我們就以BLDC為例介紹相關(guān)的電機控制及驅動(dòng)設計方案。
目前有兩種主要的電機驅動(dòng)器技術(shù)，分別是硅絕緣柵雙極晶體管（Si-IGBT）和硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（Si-MOSFET）。Si-IGBT的開(kāi)關(guān)速度較慢，通常被認為是穩健且具有成本效益的電機驅動(dòng)方案，非常適合低速開(kāi)關(guān)應用?？紤]到Si-IGBT的緩慢恢復特性，當開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)16kH時(shí)通常不會(huì )再使用它，而是改用Si-MOSFET。與Si-IGBT解決方案相比，Si-MOSFET在電機驅動(dòng)中更具優(yōu)勢，它的高速及其他特性非常適合復雜的電機驅動(dòng)方案，如工業(yè)機器人。
在功率密度方面，可能早期的Si-MOSFET不一定能達到與Si-IGBT相同的水平。然而，新一代的Si-MOSFET顯著(zhù)降低了漏極-源極導通電阻RDS(on)，極大限度地減少了傳導損耗，從而實(shí)現功率密度的大幅提升。
onsemi
圖1：onsemi NTTFS012N10MD N溝道MOSFET
（圖源：Mouser）
onsemi（安森美）的N溝道MOSFET NTTFS012N10MD，采用先進(jìn)的PowerTrench工藝設計，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化的NTTFS012N10MD以極低的導通電阻RDS(on)實(shí)現了極低的傳導損耗，同時(shí)還能保持優(yōu)異的開(kāi)關(guān)性能。NTTFS012N10MD MOSFET具有的低QG和電容可很大限度地減少電機驅動(dòng)器的損耗，低QRR、軟恢復體二極管和低QOSS可提高輕負載效率，非常適用于BLDC電機驅動(dòng)方案。
在機器人驅動(dòng)方案中，一種新興的技術(shù)——氮化鎵場(chǎng)效應晶體管（GaN FET）正在逐漸獲得應用。然而，由于GaN FET技術(shù)相對較新，且驅動(dòng)電路相對復雜，還需要非常仔細地控制柵極節點(diǎn)激勵，因此，大多數現代工業(yè)機器人驅動(dòng)方案目前仍以Si-MOSFET為主。
在方案的選擇上，如果所涉及的功率較高，首選基于分立器件的定制化設計，其中可以使用更適合特定應用的基于Si或GaN的開(kāi)關(guān)器件。對于低功耗應用，商用集成解決方案更具性?xún)r(jià)比。
一般來(lái)說(shuō)，集成驅動(dòng)電路可以滿(mǎn)足大多數應用的需求，具有簡(jiǎn)化設計、縮短上市時(shí)間以及降低應用開(kāi)發(fā)和測試成本的優(yōu)點(diǎn)。Texas Instruments（德州儀器）的MCT8316Z就是集成電機驅動(dòng)器的一個(gè)例子。
Texas Instruments
圖2：用于感應無(wú)刷直流電機梯形控制的評估板MCT8316ZTEVM（圖源：TI）
這是一款三個(gè)半H橋集成MOSFET驅動(dòng)器，用于12V/24VDC、8A峰值電流驅動(dòng)的三相無(wú)刷直流（BLDC）電機的感應梯形控制。在單個(gè)芯片上集成了三個(gè)用于轉子位置傳感的模擬霍爾比較器，以實(shí)現感應梯形無(wú)刷直流電機控制，RDS（on）極低，僅為95mΩ（高側和低側組合）。因為電流是利用電流檢測功能在內部測量的，在設計中可以省去外部感測電阻。MCT8316Z支持降壓調節器，可通過(guò)可編程穩壓電源支持200mA。要想快速完成開(kāi)發(fā)任務(wù)，可通過(guò)MCT8316ZTEVM提前進(jìn)行仿真。該EVM包括一個(gè)板載MSP430、MSP430FR2355，用于與MCT8316ZTEVM GUI接口。
BLDC電機的控制方案
對于BLDC電機的控制方案，我們可以通過(guò)使用不同的電流切換技術(shù)來(lái)實(shí)現，設計人員通常采用一下三種技術(shù)：
一是梯形控制。這是非常簡(jiǎn)單的電機控制技術(shù)，主要缺點(diǎn)是階躍換向會(huì )導致扭矩振蕩，尤其是在低速時(shí)會(huì )出現令人討厭的電機振動(dòng)。
二是正弦控制。這種技術(shù)提供了更平滑的相位之間的電流切換，并減少了扭矩波動(dòng)，尤其是電機在高速運轉時(shí)，實(shí)現了更平穩的功率傳輸。當然，達到這一結果是以更大的方案復雜性為代價(jià)。
三是磁場(chǎng)定向控制（FOC）。這項技術(shù)基于定子電流的測量和調節，確保轉子和定子磁通之間的角度始終為90?。與正弦方法相比，該技術(shù)在高速運行下更有效，并提供了適應動(dòng)態(tài)負載動(dòng)態(tài)變化的能力。
經(jīng)典的無(wú)刷直流控制器使用半橋拓撲，與全H橋解決方案相比，它只使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)：一個(gè)晶體管在高邊，一個(gè)在低邊。由于三相無(wú)刷直流電機比單相或兩相性能更好、效率更高，已用于大多數機器人和工業(yè)自動(dòng)化應用，因此典型的控制器方案通常都包括三個(gè)半橋。通過(guò)依次打開(kāi)和關(guān)閉高邊和低邊晶體管，電流可以流過(guò)定子繞組使其旋轉。高邊開(kāi)關(guān)通常使用脈寬調制（PWM）技術(shù)進(jìn)行控制，該技術(shù)將直流輸入電壓轉換為調制的驅動(dòng)電壓。PWM的使用可以實(shí)現更高效的管理，并確保對速度和扭矩的更精確控制。
BLDC也被稱(chēng)為電子換向電機，磁場(chǎng)定向控制（FOC）是目前廣受歡迎的無(wú)刷電機控制技術(shù)之一。NXP（恩智浦）提供從緊湊型多軸運動(dòng)控制到高性能機器人應用的解決方案，有廣泛的產(chǎn)品組合支持開(kāi)發(fā)BLDC控制應用。
NXP
圖3：適用于BLDC、PMSM等無(wú)傳感器電機控制的Kinetis KV3x系列MCU系統方框圖（圖源：NXP）
例如，恩智浦GD3000就是一款面向三相無(wú)刷直流電機驅動(dòng)應用的柵極驅動(dòng)器IC，提供3個(gè)半橋驅動(dòng)器，其中每個(gè)驅動(dòng)器可驅動(dòng)兩個(gè)N通道MOSFET。
KV系列MCU是NXP EdgeVerse邊緣計算平臺的一部分，支持BLDC、PMSM和ACIM電機控制以及數字電源轉換應用。
其中，Kinetis KV3x系列MCU是適用于BLDC、PMSM和ACIM等無(wú)傳感器電機控制，采用主頻為100/120MHz、帶DSP指令集和浮點(diǎn)運算單元的Arm Cortex-M4內核，配備兩個(gè)采樣率高達每秒120萬(wàn)次(MSPS)的12位ADC，另有多個(gè)電機控制定時(shí)器，64至512KB閃存，以及來(lái)自原廠(chǎng)和第三方的全面支持套件和參考設計。
Kinetis KV4x系列MCU是一種面向高性能電機控制的解決方案，有優(yōu)異的精度、感應和控制能力。它同樣采用Arm Cortex-M4內核，但運行頻率達到168MHz，另有兩個(gè)12位16通道ADC，多達12通道的eFlexPWM擁有高達312ps的分辨率，非常適用于要求嚴格的電機控制。
機器人電機驅動(dòng)的未來(lái)
電機電子設備正從控制柜中轉為直接集成到機器人關(guān)節中，從而大幅降低機器人的重量、布線(xiàn)復雜性和系統成本。這一趨勢促使組件制造商不斷開(kāi)發(fā)出能夠在更小的集成電路封裝中實(shí)現更多功能集成的解決方案。同時(shí)，空間限制也要求電機驅動(dòng)和控制要有更高的功率密度和功率效率。GaN FET具有集成柵極驅動(dòng)器，將其用于下一代機器人的電機驅動(dòng)和控制方案中，可將功率效率提高到99%以上。
Texas Instruments的LMG3422R050就是一款具有集成式驅動(dòng)器和保護功能的600V GaN FET，該器件集成了一個(gè)硅驅動(dòng)器，與傳統的共源共柵方法相比，這種架構可提供卓越的開(kāi)關(guān)性能，擁有高達150V/ns的開(kāi)關(guān)速度。此外，這種集成驅動(dòng)器還可以保護GaN器件免受過(guò)電流、短路、欠壓和過(guò)熱的影響。
機器人的應用已經(jīng)從制造業(yè)擴展到消費、醫療，甚至是自動(dòng)駕駛汽車(chē)等行業(yè)，接下來(lái)，我們將看到機器人和電機控制在新的創(chuàng )新領(lǐng)域的更多應用機會(huì )。斯坦福大學(xué)的研究人員近期發(fā)明了一種增強電機性能的方法，即通過(guò)一種新型致動(dòng)器，使得電機更有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)運動(dòng)。有了更高效的電機，機器人將走得更遠，完成更多的任務(wù)，一個(gè)機器人甚至可以運行一整天，而不是只運行一兩個(gè)小時(shí)就需要充電，未來(lái)的機器人將有更多的應用場(chǎng)景被挖掘出來(lái)。
根據Allied market research的預測和分析，2019年全球機器人技術(shù)市場(chǎng)規模約為627.5億美元，預計到2027年將達到1893.6億美元，2020年至2027年的復合年增長(cháng)率為13.5%。
在醫療行業(yè)，為了使手術(shù)機器人正常工作，必須借助先進(jìn)的、可精密運動(dòng)的電機驅動(dòng)和控制方案才能完成復雜而精準的手術(shù)操作。除了BLDC，伺服電機和步進(jìn)電機因其精確的控制、高扭矩輸出和快速響應能力，在下一代工業(yè)機器人中的應用將越來(lái)越多。
機器人、電機驅動(dòng)和控制曾經(jīng)是獨立的應用領(lǐng)域和市場(chǎng)，現在，它們越來(lái)越多地交織在同一個(gè)系統中。模塊化和可擴展的電機解決方案在工業(yè)機器人電機市場(chǎng)上越來(lái)越受歡迎，它們提供了靈活的定制選項以滿(mǎn)足不同的應用要求。模塊化電機平臺可以很容易地集成到不同的機器人系統中，并根據需要進(jìn)行擴展，對下一代機器人的部署具有顯著(zhù)的成本效益。
在工業(yè)自動(dòng)化及各個(gè)行業(yè)快速應用的推動(dòng)下，機器人電機市場(chǎng)的需求正在大幅增長(cháng)。根據行業(yè)研究，2022年全球機器人電機市場(chǎng)規模為122.7億美元，預計在2023~2028年期間將以22.44%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，到2028年將達到413.6億美元。在工業(yè)界不斷尋求高效率、高生產(chǎn)力和高安全性的帶動(dòng)下，配備先進(jìn)電機的新一代機器人的應用將越來(lái)越多。為了進(jìn)一步拓展機器人的應用領(lǐng)域，除了要選擇一種能優(yōu)化機器人性能和效率的電機，靈活、高效且兼具成本效益的電機驅動(dòng)和控制方案同樣起著(zhù)關(guān)鍵作用。
文章來(lái)源：貿澤電子
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