機器人高性能馬達控制設計指南

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News主編

最佳化馬達設計需要仔細選擇馬達類型、驅動器和電氣隔離解決方案…

設計人員可在三軸或更多軸上對機械手臂進行程式設計,從而指定機器人(機械手臂或本體)的動作。這些機械手臂無需進行物理修改即可實現自動控制和重新編程,並且能適應控制系統的不同應用。工業系統最初設計用於處理惡劣或人跡罕至的環境中應用,如今它們變得越來越複雜,並整合了機器人,因此能夠以比人類更精確和更快的方式執行許多以前的手動操作。

機器人系統主要由四個子系統組成:機械、致動器、測量和控制。關鍵挑戰之一在於關節運動控制對低速和高扭矩的要求,與有效利用伺服馬達的機械特性相悖——後者在最佳操作條件下將會產生高速和低扭矩。

因此,驅動單元的功能是確保馬達和負載的速度和扭矩相容,並能夠將機械扭矩從一個轉移到另一個。傳動元件還可以將馬達放置在機器人底座,以減輕機械結構的重量,從而提高靜態和動態性能。

關節運動採用馬達實現,可使機械結構獲得所需的動作。在永磁馬達、直流(有刷)馬達和電子換向(無刷)馬達這三種關鍵類型中,最能最佳化低慣性和高定位精度要求的是無刷直流馬達(BLDC)(1)。

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圖1:無刷直流馬達圖解。(圖片來源:Portescap)

與採用機械換向的有刷馬達相比——有刷馬達當中採用帶電刷的旋轉電樞實現電氣連接——BLDC沒有機械換向。

移動元件的減少可使無刷馬達的使用壽命更長,這樣其使用壽命就僅受滾珠軸承磨損的限制。此外,繞組也改善了散熱和超載能力,因此與其他直流解決方案相比提供了更高的效率。

由於沒有電刷,BLDC還具有出色的耐用性和低雜訊特性。其主要有兩種結構類型:表面永磁體(SPM)和內部永磁體(IPM)。SPM馬達的磁鐵附在轉子表面的外部。相反,IPM馬達則將永磁體嵌入轉子本身。

直流馬達和驅動器

BLDC可提供高效率,但最重要的是,能提供許多應用中所需的出色的扭矩值和速度值。它們使用帶有旋轉電樞的固定磁鐵,當中結合了各種元件提供電子換向。

BLDC的設計旨在最佳化扭矩,扭矩代表馬達的旋轉力大小,它與磁鐵和線圈繞組有關。磁體中的極對數越多,馬達轉矩就越大。

一個例子是Portescap的Ultra EC平台,它由三個系列組成——ECS、ECT和ECP。根據扭矩和速度要求,這些無刷微型馬達系列可用於各種應用。獲得專利的U型線圈可提供最小的鐵損,從而提供良好的效率和更冷的操作(2)。

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圖2:Portescap的Ultra EC馬達。(圖片來源:Portescap)

Maxon Motor的EC-i無刷馬達提供小直徑尺寸,適用於機器人應用。其直徑為30mm,具有高動態和高扭矩的特性。EC-i系列有多種尺寸可供選擇,每種都有標準版和高扭矩版,在75W時最大額定扭矩高達110mNm。在所有版本中,EC-i30馬達都可以擴展提供編碼器、齒輪箱、伺服控制器或定位控制器(3)。

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圖3:Maxon Motor的EC-i馬達。(圖片來源:Maxon Motor)

意法半導體(ST)和Maxon合作開發了一種新套件,用於加速機器人和工業應用的設計。EVALKIT-ROBOT-1套件可在機器人應用中提供精確定位。該套件包含ST的STSPIN32F0A智慧三相控制器和完整的逆變器級,內建ST功率電晶體,可連接到馬達。STSPIN32F0A包含關鍵的馬達控制電路,包括一個STM32F031C6微控制器(MCU)和一個採用7mm×7mm VFQFPN小尺寸封裝的三相逆變器驅動器(4)。

馬達控制韌體讓設計人員能啟動引擎並開始發送命令,從而輕鬆最佳化專案。該套件包括一個100W Maxon BLDC馬達(EC-i 40),內建1024脈衝增量編碼器,還包括用於轉子位置檢測的霍爾感測器。

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圖4:ST EVALKIT-ROBOT-1開發套件。(圖片來源:ST)

BLDC馬達非常高效,但為了滿足日益嚴格的要求,不僅要改進馬達的結構,還要改進驅動器的結構,並正努力降低整體能源消耗並最佳化散熱管理。

在許多情況下,這些設計包含可最大限度減少所需外部元件數量的整合驅動器和可實現高整合度的SoC解決方案。好處包括節省空間和能源、提高整體系統可靠性和降低成本。

由於BLDC未以機械方式切換電流方向的結構,因此必須以電子方式完成。波形可分為兩種主要類型:梯形波和正弦波。由於溫度限制和成本,有時不使用感測器,而是根據三相電流或感應電壓估計轉子(磁鐵)的位置。

驅動器必須確保正確的馬達控制,以便能在應用中相應地控制速度和方向。在為直流(和交流)馬達開發高效控制迴路方面,現代MCU非常適合提供所需的性能水準和計算功能。

許多MCU支援訊號處理功能,借此就可使用定位資料即時處理複雜的演算法。這很重要,因為越來越多的應用正試圖消除提供定位資料的感測器。有許多MCU具有專為馬達控制應用設計的周邊裝置。

例如,瑞薩電子(Renesas Electronics)的RL78/G14 MCU對電流消耗和低漏電進行了權衡(CPU運行時為66μA/MHz,待機或STOP模式下為240nA),可提供51.2DMIPS (32MHz)的高運算性能。整合的安全功能支援家用電器的安全標準IEC/UL 60730。

在BLDC馬達中,驅動器也變得更加複雜。速度和扭矩由瞬態的開/關持續時間比控制;通常,這會採用驅動繞組所用的PWM訊號的形式。這種情況因使用單相、兩相和三相馬達而變得更加複雜。今天,有許多整合元件都可用作驅動級。通常,它們包括閘極驅動器,可以驅動用於激勵多達三相馬達的外部功率MOSFET。

馬達需要大量電流,但控制器電路卻在小電流訊號上運行。因此,馬達驅動器的作用就是把小電流的控制訊號轉換成可以驅動馬達的大電流訊號。

英飛凌科技(Infineon Technologies)提供了各種用於控制變速驅動器的整合式產品。iMOTION IC整合無感測器磁場定向控制(FOC)所需的所有控制和類比介面功能。此外,它們還採用了經過驗證的馬達控制引擎(MCE)演算法,從而消除了控制協定開發過程中的軟體編碼。

另一個節省空間的是德州儀器(TI)的智慧閘極驅動器。這類驅動器整合了被動元件,可減少電路板尺寸、元件數量、複雜性和設計成本。它們還使設計人員能夠最佳化開關和電磁干擾(EMI)性能。

在其廣泛的驅動器產品組合中,TI DRV8313提供了三個可單獨控制的半H橋驅動器。該元件設計用於驅動三相無刷直流馬達,但也可用於驅動螺線管或其他負載。整合比較器可以建構限流電路或其他功能。

另一個例子是東芝電子元件及存儲裝置株式會社(Toshiba)開發具有閉路速度控制功能的TC78B025FTG無刷三相馬達驅動器IC。該元件採用4.5V至16V電壓範圍的電源工作,可提供具有150°開關的正弦驅動。0.2Ω (典型值)的低導通電阻降低了IC在工作期間的自發熱,從而擴展了對大驅動電流的支持。

電氣隔離

一般來說,馬達設計人員都知道必須符合國際絕緣標準,從而防止外部干擾並確保用戶的電氣安全。數位隔離的使用提供了幾個好處,包括更快的回應速度,這樣就能整合過流保護並減少停機時間。這提供了更漸進的輸出電壓變化,從而改善了扭矩控制。

由於光耦基於光電技術,因此是一種非常可靠的方法,確保在沒有任何物理接觸的情況下實現電氣隔離。與基於使用繼電器等機電元件的傳統方法相比,這提供了許多優勢。主要優點包括無磨損運行、互補元件成本相對較低、電路板空間最小、抗電磁干擾、高可靠性和長使用壽命。

在馬達驅動應用中,電路的兩個主要部份需要隔離:橋式逆變器中絕緣閘雙極電晶體(IGBT,這種元件一側具有集電極和發射極,另一側則由閘極進行驅動)的閘極驅動,和馬達中的電流相位檢測。相電流檢測可為IGBT提供保護並為控制器提供回饋,從而保持對閉迴路電流的控制。

以下是一些可用於機器人應用的光耦示例:

瑞薩電子的RV1S92xxA和RV1S22xxA光耦,封裝長度僅為2.5mm,與類似元件相比,PCB面積減少了35%,因此有助於設計人員減小機器人系統的尺寸。由於增強絕緣,RV1S92xxA和RV1S22xxA可使200V和400V的系統超過安全標準。所有元件均符合嚴格的UL61800-5-1馬達控制標準,以及適用於PLC等控制系統的UL61010-2-201標準(5)。

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圖5:瑞薩電子RV1S92xxA和RV1S22xxA的橫截面圖。(圖片來源:瑞薩電子)

Toshiba TLP5214是一款高度整合的4A輸出電流IGBT閘極驅動光耦,它採用SO16L封裝。TLP5214具有先進的內置功能,例如IGBT去飽和檢測、隔離故障狀態回饋、軟IGBT關斷、主動米勒阻斷和欠壓阻斷(UVLO),適用於對逆變器應用中使用的IGBT和功率MOSFET進行驅動。

總結

無論馬達是用於工業還是非工業操作環境,具有精確定位能力的高階動作控制設計都很複雜,需要極其可靠的驅動解決方案和最佳化的機械結構。

近年來,馬達也與無人機和農業4.0等新興機器人應用相關聯,得益於快速原型製作、專用作業系統和整合控制系統等新製造系統,這些應用得到了加速發展。

(參考原文:Designer’s guide to high-performance motor control for robotics,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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