為機器人系統實現高性能BLDC控制

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

BLDC為機器人應用中提供諸多優勢,但需要對馬達控制器和驅動器進行特殊設計考慮。

電動馬達是將電能轉化為機械能的裝置,可用於使鉸接系統運動。馬達必須能夠以低速產生相當大的扭矩,並且在整個負載範圍內都非常高效。它還需要一個簡單的控制和驅動機制。儘管無刷直流馬達(BLDC)需要更複雜的控制,但由於其性能更好,因此正在機器人應用中找到用武之地。

由於生產成本較低,BLDC馬達越來越受歡迎。尤其是消費級無人機和電動自行車的到來,導致了BLDC馬達的廣泛採用,這種馬達以前則僅用於高階工業應用。

過去二十年來,開發這些BLDC馬達應用的工程師有了很大的不同,馬達控制也發生了變化。今天的工程師更願意專注於有什麼可以使他們的裝置設計與眾不同,而不是建構複雜的推進系統。工程師們專注於更時尚的設計,具有最小的外形尺寸、直觀的使用者介面、即時功能、功能安全以及雲端資料共用。

控制問題

機器人系統的一個重要部份是馬達控制器。可以使用幾種控制策略來操作機械手或機械手臂。所使用的技術及其實現方式,會對機械操作手(robotic manipulator)的性能產生相當大的影響,從而影響可行應用的範圍。另一方面,機械操作手和執行系統的機械設計,也影響可以使用的控制方案的類型。

雖然機器人通常有助於在操作空間中發揮作用,但就機器人各個部份的動作而言,控制動作是在關節空間中實現的。因此,有必要研究兩種類型的控制方案:一種針對關節空間,另一種針對操作空間。這兩種方案中,控制器結構都是一個閉路控制系統,這樣在模型受到潛在未知影響的適應力和最大程度降低干擾影響(如雜訊)方面就可以利用反饋的好處。

關節空間控制問題需要解決機械手的反向運動學問題,從而將動作要求從操作空間轉換為關節空間。然後就可創建控制方案,以便機械結構的運動可以遵循預期的動作。相較之下,操作空間中的控制所需的計算複雜度要高得多,其中要將反轉法結合到閉路系統中。

馬達的速度和方向控制,需要使用作業系統以及基於馬達和應用需求的各種方法和電路。馬達控制器的目標是能夠手動或自動操作馬達(啟停、反轉、速度、扭轉和電壓超載保護)。

傳統馬達具有BLDC馬達所沒有的許多優點。BLDC和交流驅動的永磁同步馬達(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,有刷直流馬達和交流感應馬達易於連接和操作,而BLDC和PMSM則更為複雜。

例如,BLDC使用的無感測器向量控制(也稱為磁場定向控制,FOC)等技術,提供了良好的效率和消除感測器硬體的優勢,從而降低了成本並提高了可靠性。設計人員面臨的問題是無感測器向量控制實現起來很複雜,因此使用它會延長開發時間、增加成本並可能超過上市時間的預測。

 

1DRV8301-69M-KIT引擎套件包括一個帶有整合降壓穩壓器和分流放大器的三相驅動器。(圖片來源:德州儀器)

為了解決這個難題,設計人員可以求助於開發平台,例如德州儀器(TI)的DRV8301-69M-KIT引擎套件,其中包括一個整合了降壓穩壓器和分流放大器的DRV8301三相閘極驅動器,以及一個基於InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION的Piccolo TMS320F28069M微控制器(MCU)板(1)。

儘管設計複雜,但BLDC的主要優勢來自於其結構特性。其效率通常比有刷解決方案高15%到20%,由於採用無刷設計,因此所需的維護較少,並且在所有額定速度下都能提供平坦的扭矩曲線。在許多應用中,由於最近半導體技術的進步、永磁體的改進以及對更高效率的需求增加,有刷馬達已被BLDC取代。

直流驅動器

BLDC使用電子換向,可實現更好的電流切換。這樣可以實現更大的扭矩、在寬範圍內的精確速度控制以及改進的馬達性能。半橋或半H橋電路在大多數BLDC馬達控制器中都有所使用。這種電路設計與H橋不同,只有兩個開關:一個高側電晶體和一個低側電晶體。

BLDC馬達有單相、兩相和三相類型,三相類型最為流行。馬達定子的繞組數與相數相關,但轉子磁極的對數可能是任意數量,具體取決於應用。BLDC控制的一個基本元元件是驅動器。它是一種電壓輸出功率放大器,用於驅動半橋電路的大電流高側和低側IGBT閘極。

一個例子是Power Integration(PI)的400W BRD1167和BRD1267 BridgeSwitch IC,可以提供1.33A的連續RMS相電流和11.5A的FREDFET直流輸出電流。與BridgeSwitch系列的其他成員一樣,它們採用自供電方式,並採用InSOP-24C表面貼裝封裝。這些元件支援所有主要的MCU和馬達控制方法,可以運行單相或多相高壓同步馬達或非同步馬達。所有BridgeSwitch IC都包含過流、過壓/欠壓和過熱保護,這樣就可以簡化IEC 60335和IEC 60730認證。

另一個例子是MPS使用H橋的MP6612D可逆馬達驅動器(2)。它可以支援直流馬達、步進馬達繞組和其他負載。在H橋中,四個N通道功率MOSFET和一個內部電荷泵用來產生閘極驅動器電壓。DIR和ENBL兩個接腳用於控制輸出。

圖2:MP6612D方塊圖。(圖片來源:MPS)

寬能隙半導體

新興電子應用所需的馬達設計,需要能夠從越來越緊湊的平台中獲得更高性能。依靠經典矽MOSFET和IGBT的馬達驅動器電路正在努力滿足新標準。隨著矽技術接近功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限,設計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制主要導致在高工作溫度和開關速率下效率降低和額外的性能問題。

諸如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)元件的寬能隙(WBG)半導體,正在馬達控制中獲得採用,因為它們可以提供更快的開關速度,這對在高基頻下運行並需要良好濾除紋波的馬達來說可能不可或缺。然而,寬能隙元件實現的高開關速度在提供更高轉換效率的同時,也會產生非常快的電壓變化,從而導致高電壓變化率(dv/dt),進而對馬達繞組的絕緣造成壓力。因此,電力電子應用有兩個主要目標:管理散熱問題和減小系統尺寸。

德州儀器等製造商開發了GaN整合功率元件,這有助於從寬能隙元件中獲得最佳性能。例如,LMG5200提供了一個帶有增強型GaN FET的80V GaN半橋功率級。該元件由兩個GaN FET組成,由一個採用半橋佈置的高頻GaN FET驅動器供電。

為了簡化該元件的設計,TI提供用於高頻馬達驅動器的TIDA-00909參考設計,其中採用了帶有三個LMG5200的三相逆變器(3)。對於簡單的性能評估,TIDA-00909帶有一個合適的介面,用於連接到C2000 MCU LaunchPad開發套件。

3LMG5200方塊圖。(圖片來源:德州儀器)

 

 

4EPC9146電源板。(圖片來源:EPC

另一個例子是EPC的EPC9146電源板,它採用EPC專有的GaN IC技術將EPC2152單片ePower功率級與整合閘極驅動器結合在一起,可提供80V的最大元件電壓和15A的最大輸出電流(4)。憑藉高達3MHz的PWM頻率,它可以滿載運行。EPC9146提供適用於電源驅動應用的功能,例如具有整合閘極驅動器的單片功率級、用於管理電源的穩壓輔助電源軌、電壓和溫度感應、精確電流感應和保護功能。

EPC9146可與EPC9147系列配套板配對,讓用戶直接透過主流MCU板控制電源板,利用現有資源進行快速開發。

機器人的複雜性需要適用驅動器來正確執行與工業應用相關的功能。寬能隙半導體正在馬達控制中獲得採用,因為它們可以實現更快的切換,這對於在高基頻下運行的馬達是必需的。工程師們更願意專注於有什麼可以讓他們的裝置設計與眾不同,而不是創建一個複雜的推進系統。

(參考原文:BLDCs for robotic systems require high-performance motor control,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

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