電機(jī)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，如何解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

電機(jī)是機(jī)器人執(zhí)行器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動(dòng)和控制。根據(jù)電磁原理，電機(jī)可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而為機(jī)器人的物理運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力?，F(xiàn)在，機(jī)器人可以完成從簡(jiǎn)單的輪子旋轉(zhuǎn)到非常復(fù)雜的醫(yī)療手術(shù)等操作，這一過(guò)程通常由機(jī)器人控制器來(lái)掌控，它們通過(guò)向電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)以達(dá)到執(zhí)行這些動(dòng)作的目的。因此，機(jī)器人中選定的電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方案在很大程度上決定了機(jī)器人的精度、速度、扭矩以及其他重要的性能屬性。

機(jī)器人中使用的電機(jī)類(lèi)型

機(jī)器人中使用的電機(jī)有多種類(lèi)型，包括直流電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等，每種電機(jī)都具有獨(dú)特的功能，適用于各種應(yīng)用。

1、直流電機(jī)?

直流（DC）電機(jī)是機(jī)器人技術(shù)中使用非常多的電機(jī)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(jī)又分為有刷和無(wú)刷兩種類(lèi)型。

有刷直流電機(jī)：這些電機(jī)由旋轉(zhuǎn)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(jī)相對(duì)容易控制。然而，由于電刷會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損，因此需要時(shí)常更換，從而導(dǎo)致維護(hù)成本較高。

無(wú)刷直流電機(jī)：無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)是使用電子換向的電機(jī)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(jī)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(jī)比有刷電機(jī)更高效、更可靠，使用壽命更長(zhǎng)，但無(wú)刷直流電機(jī)需要硬件/軟件控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行正確的速度和扭矩調(diào)節(jié)，在成本上可能要高于有刷電機(jī)。

2、伺服電機(jī)?

伺服電機(jī)由直流電機(jī)、齒輪箱、電位計(jì)和控制電路組成，以精確度高著稱(chēng)。伺服電機(jī)的位置可以使用脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)進(jìn)行非常精確的控制，特別適合那些需要精確運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用。

3、步進(jìn)電機(jī)?

步進(jìn)電機(jī)的工作方式與直流電機(jī)和伺服電機(jī)不同，它們以較高的移動(dòng)精度提供了對(duì)位置和速度的卓越控制。步進(jìn)電機(jī)采用數(shù)字控制方案，在低速時(shí)具有高扭矩，非常適合需要將負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間保持在特定位置的應(yīng)用。

相信大家已經(jīng)注意到，在機(jī)器人中很少看到交流電機(jī)的應(yīng)用。這個(gè)現(xiàn)象的出現(xiàn)主要有以下幾個(gè)原因：

一是控制復(fù)雜。相對(duì)而言，直流電機(jī)的控制較簡(jiǎn)單，它們能提供恒定且穩(wěn)定的電流，便于管理速度、扭矩和方向。伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)基本上也屬于直流設(shè)備，可提供對(duì)位置、速度和加速度的卓越控制。而交流電機(jī)需要依靠交流電源的頻率來(lái)控制電機(jī)的參數(shù)，這使得它們?cè)谒俣群团ぞ胤矫娴墓芾碜兊煤軓?fù)雜。

二是電源效率低。大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用電池作為主要電源，提供的是直流電。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電必須要有額外的組件，一方面增加了電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)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(shì)。直流電機(jī)尤其是無(wú)刷直流電機(jī)可以提供高扭矩與重量比，使其更適合移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用。在移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中，極小化重量是至關(guān)重要的考量因素。交流電機(jī)尤其是感應(yīng)電機(jī)，在相同的功率輸出下往往更重。

盡管有這些不足，交流電機(jī)在一些工業(yè)機(jī)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(yīng)電機(jī)可以用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化工廠生產(chǎn)線(xiàn)中的傳送帶。

BLDC電機(jī)的控制及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）與其他類(lèi)別的電機(jī)（如有刷電機(jī)）相比具有一些顯著的優(yōu)勢(shì)。具體表現(xiàn)為：在任何負(fù)載條件下BLDC都能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)其性能，同時(shí)具有更高的效率和更低的響應(yīng)時(shí)間，且?guī)缀鯚o(wú)需維護(hù)。這些特性使得BLDC廣泛應(yīng)用于從極小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器）到電動(dòng)汽車(chē)（EV），以及機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化中使用的大機(jī)械臂等各種應(yīng)用中。下面我們就以BLDC為例介紹相關(guān)的電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

目前有兩種主要的電機(jī)驅(qū)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Si-MOSFET）。Si-IGBT的開(kāi)關(guān)速度較慢，通常被認(rèn)為是穩(wěn)健且具有成本效益的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，非常適合低速開(kāi)關(guān)應(yīng)用?？紤]到Si-IGBT的緩慢恢復(fù)特性，當(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)中更具優(yōu)勢(shì)，它的高速及其他特性非常適合復(fù)雜的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，如工業(yè)機(jī)器人。

在功率密度方面，可能早期的Si-MOSFET不一定能達(dá)到與Si-IGBT相同的水平。然而，新一代的Si-MOSFET顯著降低了漏極-源極導(dǎo)通電阻RDS(on)，極大限度地減少了傳導(dǎo)損耗，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化的NTTFS012N10MD以極低的導(dǎo)通電阻RDS(on)實(shí)現(xiàn)了極低的傳導(dǎo)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(jī)驅(qū)動(dòng)器的損耗，低QRR、軟恢復(fù)體二極管和低QOSS可提高輕負(fù)載效率，非常適用于BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。

在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案中，一種新興的技術(shù)——氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaN FET）正在逐漸獲得應(yīng)用。然而，由于GaN FET技術(shù)相對(duì)較新，且驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，還需要非常仔細(xì)地控制柵極節(jié)點(diǎn)激勵(lì)，因此，大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人驅(qū)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(shè)計(jì)，其中可以使用更適合特定應(yīng)用的基于Si或GaN的開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于低功耗應(yīng)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(qū)動(dòng)電路可以滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的需求，具有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、縮短上市時(shí)間以及降低應(yīng)用開(kāi)發(fā)和測(cè)試成本的優(yōu)點(diǎn)。Texas Instruments（德州儀器）的MCT8316Z就是集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)例子。

Texas Instruments

圖2：用于感應(yīng)無(wú)刷直流電機(jī)梯形控制的評(píng)估板MCT8316ZTEVM（圖源：TI）

這是一款三個(gè)半H橋集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器，用于12V/24VDC、8A峰值電流驅(qū)動(dòng)的三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)的感應(yīng)梯形控制。在單個(gè)芯片上集成了三個(gè)用于轉(zhuǎn)子位置傳感的模擬霍爾比較器，以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)梯形無(wú)刷直流電機(jī)控制，RDS（on）極低，僅為95mΩ（高側(cè)和低側(cè)組合）。因?yàn)殡娏魇抢秒娏鳈z測(cè)功能在內(nèi)部測(cè)量的，在設(shè)計(jì)中可以省去外部感測(cè)電阻。MCT8316Z支持降壓調(diào)節(jié)器，可通過(guò)可編程穩(wěn)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(jī)的控制方案

對(duì)于BLDC電機(jī)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(xiàn)，設(shè)計(jì)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(jī)控制技術(shù)，主要缺點(diǎn)是階躍換向會(huì)導(dǎo)致扭矩振蕩，尤其是在低速時(shí)會(huì)出現(xiàn)令人討厭的電機(jī)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(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更平穩(wěn)的功率傳輸。當(dāng)然，達(dá)到這一結(jié)果是以更大的方案復(fù)雜性為代價(jià)。

三是磁場(chǎng)定向控制（FOC）。這項(xiàng)技術(shù)基于定子電流的測(cè)量和調(diào)節(jié)，確保轉(zhuǎn)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(yùn)行下更有效，并提供了適應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)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?fù)?，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(jī)比單相或兩相性能更好、效率更高，已用于大多數(shù)機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)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(zhuǎn)。高邊開(kāi)關(guān)通常使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)進(jìn)行控制，該技術(shù)將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電壓。PWM的使用可以實(shí)現(xiàn)更高效的管理，并確保對(duì)速度和扭矩的更精確控制。

BLDC也被稱(chēng)為電子換向電機(jī)，磁場(chǎng)定向控制（FOC）是目前廣受歡迎的無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)之一。NXP（恩智浦）提供從緊湊型多軸運(yùn)動(dòng)控制到高性能機(jī)器人應(yīng)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(yīng)用。

NXP

圖3：適用于BLDC、PMSM等無(wú)傳感器電機(jī)控制的Kinetis KV3x系列MCU系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器IC，提供3個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N通道MOSFET。

KV系列MCU是NXP EdgeVerse邊緣計(jì)算平臺(tái)的一部分，支持BLDC、PMSM和ACIM電機(jī)控制以及數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

其中，Kinetis KV3x系列MCU是適用于BLDC、PMSM和ACIM等無(wú)傳感器電機(jī)控制，采用主頻為100/120MHz、帶DSP指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元的Arm Cortex-M4內(nèi)核，配備兩個(gè)采樣率高達(dá)每秒120萬(wàn)次(MSPS)的12位ADC，另有多個(gè)電機(jī)控制定時(shí)器，64至512KB閃存，以及來(lái)自原廠和第三方的全面支持套件和參考設(shè)計(jì)。

Kinetis KV4x系列MCU是一種面向高性能電機(jī)控制的解決方案，有優(yōu)異的精度、感應(yīng)和控制能力。它同樣采用Arm Cortex-M4內(nèi)核，但運(yùn)行頻率達(dá)到168MHz，另有兩個(gè)12位16通道ADC，多達(dá)12通道的eFlexPWM擁有高達(dá)312ps的分辨率，非常適用于要求嚴(yán)格的電機(jī)控制。

機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)的未來(lái)

電機(jī)電子設(shè)備正從控制柜中轉(zhuǎn)為直接集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)中，從而大幅降低機(jī)器人的重量、布線(xiàn)復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。這一趨勢(shì)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(xiàn)更多功能集成的解決方案。同時(shí)，空間限制也要求電機(jī)驅(qū)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(qū)動(dòng)器，將其用于下一代機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)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(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的600V GaN FET，該器件集成了一個(gè)硅驅(qū)動(dòng)器，與傳統(tǒng)的共源共柵方法相比，這種架構(gòu)可提供卓越的開(kāi)關(guān)性能，擁有高達(dá)150V/ns的開(kāi)關(guān)速度。此外，這種集成驅(qū)動(dòng)器還可以保護(hù)GaN器件免受過(guò)電流、短路、欠壓和過(guò)熱的影響。

機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)從制造業(yè)擴(kuò)展到消費(fèi)、醫(yī)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(jī)器人和電機(jī)控制在新的創(chuàng)新領(lǐng)域的更多應(yīng)用機(jī)會(huì)。斯坦福大學(xué)的研究人員近期發(fā)明了一種增強(qiáng)電機(jī)性能的方法，即通過(guò)一種新型致動(dòng)器，使得電機(jī)更有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。有了更高效的電機(jī)，機(jī)器人將走得更遠(yuǎn)，完成更多的任務(wù)，一個(gè)機(jī)器人甚至可以運(yùn)行一整天，而不是只運(yùn)行一兩個(gè)小時(shí)就需要充電，未來(lái)的機(jī)器人將有更多的應(yīng)用場(chǎng)景被挖掘出來(lái)。

根據(jù)Allied market research的預(yù)測(cè)和分析，2019年全球機(jī)器人技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模約為627.5億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到1893.6億美元，2020年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為13.5%。

在醫(yī)療行業(yè)，為了使手術(shù)機(jī)器人正常工作，必須借助先進(jìn)的、可精密運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方案才能完成復(fù)雜而精準(zhǔn)的手術(shù)操作。除了BLDC，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其精確的控制、高扭矩輸出和快速響應(yīng)能力，在下一代工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用將越來(lái)越多。

機(jī)器人、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制曾經(jīng)是獨(dú)立的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)，現(xiàn)在，它們?cè)絹?lái)越多地交織在同一個(gè)系統(tǒng)中。模塊化和可擴(kuò)展的電機(jī)解決方案在工業(yè)機(jī)器人電機(jī)市場(chǎng)上越來(lái)越受歡迎，它們提供了靈活的定制選項(xiàng)以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用要求。模塊化電機(jī)平臺(tái)可以很容易地集成到不同的機(jī)器人系統(tǒng)中，并根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)下一代機(jī)器人的部署具有顯著的成本效益。

在工業(yè)自動(dòng)化及各個(gè)行業(yè)快速應(yīng)用的推動(dòng)下，機(jī)器人電機(jī)市場(chǎng)的需求正在大幅增長(zhǎng)。根據(jù)行業(yè)研究，2022年全球機(jī)器人電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為122.7億美元，預(yù)計(jì)在2023~2028年期間將以22.44%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2028年將達(dá)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(jī)的新一代機(jī)器人的應(yīng)用將越來(lái)越多。為了進(jìn)一步拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，除了要選擇一種能優(yōu)化機(jī)器人性能和效率的電機(jī)，靈活、高效且兼具成本效益的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方案同樣起著關(guān)鍵作用。

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