【導讀】電機是機器人執(zhí)行器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負責機器人的移動和控制。根據(jù)電磁原理，電機可將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而為機器人的物理運動提供動力。現(xiàn)在，機器人可以完成從簡單的輪子旋轉(zhuǎn)到非常復(fù)雜的醫(yī)療手術(shù)等操作，這一過程通常由機器人控制器來掌控，它們通過向電機發(fā)送控制信號以達到執(zhí)行這些動作的目的。因此，機器人中選定的電機及其驅(qū)動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(zhí)行器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負責機器人的移動和控制。根據(jù)電磁原理，電機可將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而為機器人的物理運動提供動力。現(xiàn)在，機器人可以完成從簡單的輪子旋轉(zhuǎn)到非常復(fù)雜的醫(yī)療手術(shù)等操作，這一過程通常由機器人控制器來掌控，它們通過向電機發(fā)送控制信號以達到執(zhí)行這些動作的目的。因此，機器人中選定的電機及其驅(qū)動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型
機器人中使用的電機有多種類型，包括直流電機、伺服電機和步進電機等，每種電機都具有獨特的功能，適用于各種應(yīng)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型，它們的使用和控制簡單，有良好的速度范圍。直流電機又分為有刷和無刷兩種類型。
有刷直流電機：這些電機由旋轉(zhuǎn)電樞、固定定子和換向器組成。電刷與換向器進行物理接觸，因此該類型電機相對容易控制。然而，由于電刷會隨著時間的推移而磨損，因此需要時常更換，從而導致維護成本較高。
無刷直流電機：無刷直流（BLDC）電機是使用電子換向的電機類型中的一個例子。它們使用控制器來改變電流的方向，而不是使用電刷。由于無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，無刷直流電機比有刷電機更高效、更可靠，使用壽命更長，但無刷直流電機需要硬件/軟件控制系統(tǒng)來進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。
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，以精確度高著稱。伺服電機的位置可以使用脈寬調(diào)制（PWM）信號進行非常精確的控制，特別適合那些需要精確運動控制的應(yīng)用。
3、步進電機
步進電機的工作方式與直流電機和伺服電機不同，它們以較高的移動精度提供了對位置和速度的卓越控制。步進電機采用數(shù)字控制方案，在低速時具有高扭矩，非常適合需要將負載長時間保持在特定位置的應(yīng)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(yīng)用。這個現(xiàn)象的出現(xiàn)主要有以下幾個原因：
一是控制復(fù)雜。相對而言，直流電機的控制較簡單，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。伺服電機和步進電機基本上也屬于直流設(shè)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控制電機的參數(shù)，這使得它們在速度和扭矩方面的管理變得很復(fù)雜。
二是電源效率低。大多數(shù)機器人系統(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。
三是尺寸和重量無優(yōu)勢。直流電機尤其是無刷直流電機可以提供高扭矩與重量比，使其更適合移動機器人應(yīng)用。在移動機器人應(yīng)用中，極小化重量是至關(guān)重要的考量因素。交流電機尤其是感應(yīng)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)機器人中有時會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)電機可以用于驅(qū)動自動化工廠生產(chǎn)線中的傳送帶。
BLDC電機的控制及驅(qū)動設(shè)計
無刷直流電機（BLDC）與其他類別的電機（如有刷電機）相比具有一些顯著的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)為：在任何負載條件下BLDC都能準確調(diào)節(jié)其性能，同時具有更高的效率和更低的響應(yīng)時間，且?guī)缀鯚o需維護。這些特性使得BLDC廣泛應(yīng)用于從極小的電機驅(qū)動器（如計算機硬盤驅(qū)動器）到電動汽車（EV），以及機器人和工業(yè)自動化中使用的大機械臂等各種應(yīng)用中。下面我們就以BLDC為例介紹相關(guān)的電機控制及驅(qū)動設(shè)計方案。
目前有兩種主要的電機驅(qū)動器技術(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效應(yīng)晶體管（Si-MOSFET）。Si-IGBT的開關(guān)速度較慢，通常被認為是穩(wěn)健且具有成本效益的電機驅(qū)動方案，非常適合低速開關(guān)應(yīng)用?？紤]到Si-IGBT的緩慢恢復(fù)特性，當開關(guān)頻率超過16kH時通常不會再使用它，而是改用Si-MOSFET。與Si-IGBT解決方案相比，Si-MOSFET在電機驅(qū)動中更具優(yōu)勢，它的高速及其他特性非常適合復(fù)雜的電機驅(qū)動方案，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，采用先進的PowerTrench工藝設(shè)計，經(jīng)過工藝優(yōu)化的NTTFS012N10MD以極低的導通電阻RDS(on)實現(xiàn)了極低的傳導損耗，同時還能保持優(yōu)異的開關(guān)性能。NTTFS012N10MD MOSFET具有的低QG和電容可很大限度地減少電機驅(qū)動器的損耗，低QRR、軟恢復(fù)體二極管和低QOSS可提高輕負載效率，非常適用于BLDC電機驅(qū)動方案。
在機器人驅(qū)動方案中，一種新興的技術(shù)——氮化鎵場效應(yīng)晶體管（GaN FET）正在逐漸獲得應(yīng)用。然而，由于GaN FET技術(shù)相對較新，且驅(qū)動電路相對復(fù)雜，還需要非常仔細地控制柵極節(jié)點激勵，因此，大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)機器人驅(qū)動方案目前仍以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，其中可以使用更適合特定應(yīng)用的基于Si或GaN的開關(guān)器件。對于低功耗應(yīng)用，商用集成解決方案更具性價比。
一般來說，集成驅(qū)動電路可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求，具有簡化設(shè)計、縮短上市時間以及降低應(yīng)用開發(fā)和測試成本的優(yōu)點。Texas Instruments（德州儀器）的MCT8316Z就是集成電機驅(qū)動器的一個例子。
Texas Instruments
圖2：用于感應(yīng)無刷直流電機梯形控制的評估板MCT8316ZTEVM（圖源：TI）
這是一款三個半H橋集成MOSFET驅(qū)動器，用于12V/24VDC、8A峰值電流驅(qū)動的三相無刷直流（BLDC）電機的感應(yīng)梯形控制。在單個芯片上集成了三個用于轉(zhuǎn)子位置傳感的模擬霍爾比較器，以實現(xiàn)感應(yīng)梯形無刷直流電機控制，RDS（on）極低，僅為95mΩ（高側(cè)和低側(cè)組合）。因為電流是利用電流檢測功能在內(nèi)部測量的，在設(shè)計中可以省去外部感測電阻。MCT8316Z支持降壓調(diào)節(jié)器，可通過可編程穩(wěn)壓電源支持200mA。要想快速完成開發(fā)任務(wù)，可通過MCT8316ZTEVM提前進行仿真。該EVM包括一個板載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，我們可以通過使用不同的電流切換技術(shù)來實現(xiàn)，設(shè)計人員通常采用一下三種技術(shù)：
一是梯形控制。這是非常簡單的電機控制技術(shù)，主要缺點是階躍換向會導致扭矩振蕩，尤其是在低速時會出現(xiàn)令人討厭的電機振動。
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，尤其是電機在高速運轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)了更平穩(wěn)的功率傳輸。當然，達到這一結(jié)果是以更大的方案復(fù)雜性為代價。
三是磁場定向控制（FOC）。這項技術(shù)基于定子電流的測量和調(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)在高速運行下更有效，并提供了適應(yīng)動態(tài)負載動態(tài)變化的能力。
經(jīng)典的無刷直流控制器使用半橋拓撲，與全H橋解決方案相比，它只使用兩個開關(guān)：一個晶體管在高邊，一個在低邊。由于三相無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(shù)機器人和工業(yè)自動化應(yīng)用，因此典型的控制器方案通常都包括三個半橋。通過依次打開和關(guān)閉高邊和低邊晶體管，電流可以流過定子繞組使其旋轉(zhuǎn)。高邊開關(guān)通常使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)進行控制，該技術(shù)將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制的驅(qū)動電壓。PWM的使用可以實現(xiàn)更高效的管理，并確保對速度和扭矩的更精確控制。
BLDC也被稱為電子換向電機，磁場定向控制（FOC）是目前廣受歡迎的無刷電機控制技術(shù)之一。NXP（恩智浦）提供從緊湊型多軸運動控制到高性能機器人應(yīng)用的解決方案，有廣泛的產(chǎn)品組合支持開發(fā)BLDC控制應(yīng)用。
NXP
圖3：適用于BLDC、PMSM等無傳感器電機控制的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刷直流電機驅(qū)動應(yīng)用的柵極驅(qū)動器IC，提供3個半橋驅(qū)動器，其中每個驅(qū)動器可驅(qū)動兩個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(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等無傳感器電機控制，采用主頻為100/120MHz、帶DSP指令集和浮點運算單元的Arm Cortex-M4內(nèi)核，配備兩個采樣率高達每秒120萬次(MSPS)的12位ADC，另有多個電機控制定時器，64至512KB閃存，以及來自原廠和第三方的全面支持套件和參考設(shè)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(yīng)和控制能力。它同樣采用Arm Cortex-M4內(nèi)核，但運行頻率達到168MHz，另有兩個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(qū)動的未來
電機電子設(shè)備正從控制柜中轉(zhuǎn)為直接集成到機器人關(guān)節(jié)中，從而大幅降低機器人的重量、布線復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。這一趨勢促使組件制造商不斷開發(fā)出能夠在更小的集成電路封裝中實現(xiàn)更多功能集成的解決方案。同時，空間限制也要求電機驅(qū)動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)動器，將其用于下一代機器人的電機驅(qū)動和控制方案中，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)動器和保護功能的600V GaN FET，該器件集成了一個硅驅(qū)動器，與傳統(tǒng)的共源共柵方法相比，這種架構(gòu)可提供卓越的開關(guān)性能，擁有高達150V/ns的開關(guān)速度。此外，這種集成驅(qū)動器還可以保護GaN器件免受過電流、短路、欠壓和過熱的影響。
機器人的應(yīng)用已經(jīng)從制造業(yè)擴展到消費、醫(yī)療，甚至是自動駕駛汽車等行業(yè)，接下來，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(yīng)用機會。斯坦福大學的研究人員近期發(fā)明了一種增強電機性能的方法，即通過一種新型致動器，使得電機更有效地進行動態(tài)運動。有了更高效的電機，機器人將走得更遠，完成更多的任務(wù)，一個機器人甚至可以運行一整天，而不是只運行一兩個小時就需要充電，未來的機器人將有更多的應(yīng)用場景被挖掘出來。
根據(jù)Allied market research的預(yù)測和分析，2019年全球機器人技術(shù)市場規(guī)模約為627.5億美元，預(yù)計到2027年將達到1893.6億美元，2020年至2027年的復(fù)合年增長率為13.5%。
在醫(yī)療行業(yè)，為了使手術(shù)機器人正常工作，必須借助先進的、可精密運動的電機驅(qū)動和控制方案才能完成復(fù)雜而精準的手術(shù)操作。除了BLDC，伺服電機和步進電機因其精確的控制、高扭矩輸出和快速響應(yīng)能力，在下一代工業(yè)機器人中的應(yīng)用將越來越多。
機器人、電機驅(qū)動和控制曾經(jīng)是獨立的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，現(xiàn)在，它們越來越多地交織在同一個系統(tǒng)中。模塊化和可擴展的電機解決方案在工業(yè)機器人電機市場上越來越受歡迎，它們提供了靈活的定制選項以滿足不同的應(yīng)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(tǒng)中，并根據(jù)需要進行擴展，對下一代機器人的部署具有顯著的成本效益。
在工業(yè)自動化及各個行業(yè)快速應(yīng)用的推動下，機器人電機市場的需求正在大幅增長。根據(jù)行業(yè)研究，2022年全球機器人電機市場規(guī)模為122.7億美元，預(yù)計在2023~2028年期間將以22.44%的復(fù)合年增長率增長，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下，配備先進電機的新一代機器人的應(yīng)用將越來越多。為了進一步拓展機器人的應(yīng)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(qū)動和控制方案同樣起著關(guān)鍵作用。
文章來源：貿(mào)澤電子
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