什么是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器？

機(jī)器人的運(yùn)作離不開點(diǎn)擊的支撐，機(jī)器人系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成：機(jī)械，執(zhí)行器，測(cè)量和控制。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的低速和高扭矩要求無(wú)法有效利用伺服電機(jī)的機(jī)械特性，相反，在最佳工作條件下卻會(huì)產(chǎn)生高速和低扭矩。因此，驅(qū)動(dòng)單元的功能是確保電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩與負(fù)載兼容，并使機(jī)械轉(zhuǎn)矩從一個(gè)傳遞到另一個(gè)。傳動(dòng)組件還可以通過(guò)將電機(jī)放置在機(jī)器人基座上來(lái)減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而改善靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)委托給允許機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行所需運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。在三種主要類型中，永磁體，直流(有刷)和電子換向(無(wú)刷)電動(dòng)機(jī)中，最能優(yōu)化低慣性和高定位精度要求的一種是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，即BLDC。與使用機(jī)械開關(guān)的有刷電動(dòng)機(jī)相比，BLDC沒(méi)有機(jī)械開關(guān)，在有刷電動(dòng)機(jī)中，帶電刷的旋轉(zhuǎn)電樞用于進(jìn)行電氣連接。

活動(dòng)部件的減少使無(wú)刷電機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)，僅受球軸承的磨損限制。此外，繞組改善了散熱和過(guò)載能力，與其他直流解決方案相比，效率更高。由于沒(méi)有電刷，因此BLDC還具有出色的耐用性和低噪音特性。結(jié)構(gòu)主要有兩種：表面永磁體(SPM)和內(nèi)部永磁體(IPM)。 SPM電機(jī)的磁鐵附著在轉(zhuǎn)子表面的外部。相反，IPM電動(dòng)機(jī)將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子本身。

直流電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

BLDC提供高效率，但最重要的是，在許多應(yīng)用中都使用了出色的扭矩和速度值。他們使用帶有旋轉(zhuǎn)電樞的固定磁鐵，該電樞將各個(gè)部分結(jié)合在一起以提供電子開關(guān)。BLDC的設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化代表電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩與磁體和線圈繞組有關(guān)。磁鐵中的極對(duì)數(shù)越多，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩越大。

一個(gè)例子是Portescap的Ultra EC平臺(tái)，該平臺(tái)由三個(gè)系列組成-ECS，ECT和ECP。根據(jù)扭矩和速度要求，這些無(wú)刷微型電動(dòng)機(jī)系列可以用于多種應(yīng)用中。獲得專利的U形線圈可最大程度地減少鐵損，從而提高效率，并降低運(yùn)行溫度(圖1)。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)與Maxon(Maxon)共同開發(fā)了一種新套件，以加快機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)。 EVALKIT-ROBOT-1套件可在機(jī)器人應(yīng)用中提供精確定位。

該套件包含ST的STSPIN32F0A智能三相控制器和一個(gè)完整的逆變器級(jí)，其中內(nèi)置有ST功率晶體管，可隨時(shí)連接到電動(dòng)機(jī)。 STSPIN32F0A包含關(guān)鍵的電機(jī)控制電路，包括STM32F031C6微控制器和緊湊的7×7毫米VFQFPN封裝的三相逆變器驅(qū)動(dòng)器。BLDC電機(jī)效率很高，但是要滿足日益嚴(yán)格的要求的壓力不僅要求公司改善電機(jī)的結(jié)構(gòu)，而且還需要改善驅(qū)動(dòng)器。特別是，他們正在努力減少總體能源消耗并優(yōu)化熱管理。

在許多情況下，這些設(shè)計(jì)都集成了集成驅(qū)動(dòng)器，以最大程度地減少所需的外部組件數(shù)量，并集成了允許高度集成的片上系統(tǒng)解決方案。好處包括節(jié)省空間和能源，提高整體系統(tǒng)可靠性以及降低成本。因?yàn)锽LDC沒(méi)有機(jī)械地切換電流方向的結(jié)構(gòu)，所以必須以電子方式完成。波形可分為兩種主要類型：梯形和正弦形。由于溫度的限制和成本，在某些情況下，可能不使用傳感器而根據(jù)三相電流或感應(yīng)電壓來(lái)估算轉(zhuǎn)子(磁體)的位置。

駕駛員必須確保正確的電動(dòng)機(jī)控制，以便他們可以在應(yīng)用中相應(yīng)地控制速度和方向。現(xiàn)代微控制器(MCU)非常適合提供開發(fā)用于DC(和AC)電動(dòng)機(jī)的高效控制回路所需的性能和計(jì)算功能水平。許多MCU支持信號(hào)處理功能，這些功能允許使用定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的算法。這很重要，因?yàn)樵絹?lái)越多的應(yīng)用程序正在嘗試消除提供定位數(shù)據(jù)的傳感器。許多MCU具有專門為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的外設(shè)。

例如，瑞薩電子(Renesas Electronics)的RL78 / G14微控制器平衡了電流消耗水平與低電流消耗水平(CPU在運(yùn)行時(shí)為66μ/ MHz，在待機(jī)或STOP模式下為240 nA)，從而提供了高計(jì)算性能51.2 DMIPS(32 MHz)。集成的安全功能支持家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn)IEC / UL 60730。

在BLDC電機(jī)中，驅(qū)動(dòng)器也變得更加復(fù)雜。速度和轉(zhuǎn)矩由瞬態(tài)的開/關(guān)持續(xù)時(shí)間比率控制;通常，這采用用于驅(qū)動(dòng)繞組的PWM信號(hào)的形式。使用單相，兩相和三相電動(dòng)機(jī)會(huì)使這種情況更加復(fù)雜。如今，許多集成設(shè)備都被用作驅(qū)動(dòng)階段。通常，它們包括用于驅(qū)動(dòng)外部功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器，該功率MOSFET用于激勵(lì)多達(dá)三個(gè)電機(jī)的三相。電機(jī)需要大量電流，而控制器電路則以低電流信號(hào)運(yùn)行。因此，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能是獲取低電流控制信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的高電流信號(hào)。

Infineon Technologies AG提供各種用于控制變速驅(qū)動(dòng)器的集成產(chǎn)品。 iMOTION IC集成了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)所需的所有控制和模擬接口功能。此外，它們還采用了該公司久經(jīng)考驗(yàn)的電機(jī)控制引擎(MCE)算法，該算法從控制協(xié)議開發(fā)過(guò)程中消除了軟件編碼。

另一個(gè)節(jié)省空間的是德州儀器(TI)的智能門驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器集成了無(wú)源組件，以減少電路板尺寸，組件數(shù)量，復(fù)雜性和設(shè)計(jì)成本。它們還使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化開關(guān)和電磁干擾(EMI)性能。TI在其廣泛的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中為DRV8313提供了三個(gè)可單獨(dú)控制的半H橋驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)備旨在驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，盡管它也可以用于驅(qū)動(dòng)螺線管或其他負(fù)載。集成的比較器允許構(gòu)建限流電路或其他功能。

另一個(gè)例子是東芝電子設(shè)備和存儲(chǔ)公司的具有閉環(huán)速度控制功能的TC78B025FTG無(wú)刷三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC。該設(shè)備使用4.5 V至16 V電壓范圍的電源供電，并提供正弦驅(qū)動(dòng)150°切換。 0.2Ω(典型值)的低導(dǎo)通電阻降低了IC在工作期間的自發(fā)熱，從而將支持范圍擴(kuò)大到高驅(qū)動(dòng)電流。以上就是機(jī)器人的運(yùn)作原理，希望在大家沒(méi)有思路的時(shí)候，看完有所啟發(fā)。