电机驱动创新如何帮助解决机器人运动设计挑战

从外科手术到在制造工厂举起数千公斤的重量，机器人简化了我们生活的许多方面。虽然机器人对我们现代世界的影响可能是显而易见的，但你有没有想过机器人系统是如何实现如此令人印象深刻的精确、快速和强大的运动的？如果你的答案是电机，你就对了！

机器人经常复制原本由人类执行的动作;出于这个原因，它的功能将包括某种形式的位移或旋转，以调整位置和方向 - 通常通过电机实现的运动。

传统用例专注于机械驱动，例如手臂操纵或传送带循环，现代用例就像旋转相机或机械光束控制激光雷达传感器一样简单。您可能会惊讶地发现，基本的风扇和泵是电机的基本应用，实际上对冷却和液压非常有用。

例如，机械臂关节中的无刷直流 （BLDC） 电机（如图 1 所示）往往涉及旋转的转子和保持静止的定子。施加电信号为定子上的线圈绕组通电会产生磁场，产生磁力，导致转子移动，从而使机械臂内的关节旋转。以正确的方式使用这些电信号，您的机械臂不仅会移动，还可以以特定的速度、定位精度和扭矩移动。

图 1：BLDC 电机结构剖面图

电机如何推动下一代机器人技术

除了涉及运动的精确和强大的任务外，微控制器（MCU）和集成电机驱动器等电机控制半导体的进步正在增强机器人的移动方式。让我们来看看实现这一目标的四个具体挑战。

挑战1：提高安全要求以实现人机协作

传统的安全考虑要求人与机器人严格分离，通常将机器人放在笼子里。由于进一步的自动化需要更紧密的协作和互动，协作机器人有助于提高生产力，但需要提供安全停止、安全速度、扭矩和运动控制的电机。

C2000

32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在帮助实现安全要求方面发挥着至关重要的作用。这些器件可以集成用于诊断的安全外设，以简化符合国际标准化组织 （ISO） 10218 的设计。在模拟端，DRV8353F等智能栅极驱动器可以通过TÜV南德意志集团批准的技术报告帮助工程师实现其安全目标。本支持文档指导工程师完成根据IEC 61800-5-2实现安全扭矩关闭所需的设计步骤。无论是MCU还是栅极驱动器，拥有某些组件都可以简化设计过程，以实现功能安全的电机系统。

挑战2：通过分布式电机架构减轻重量、布线和成本

电机电子设备正在从控制柜迁移到直接集成到机器人关节中，有助于减轻重量、布线和系统成本。这一趋势促使元件制造商开发解决方案，在更小的集成电路封装中实现更多的功能集成。空间限制还要求更高的功率密度和电源效率。

氮化镓场效应晶体管（如LMG3422R050）具有集成栅极驱动器，可将功率级效率提高到99%以上，从而使集成电机减少或消除对散热器的需求。使用MCU的系统（如TMS320F28065）可以产生分辨率为皮秒量级的脉宽调制信号，并具有实时通信外设和绝对编码器接口。这些功能使得将布线从每个电机 10 多根电线减少到整个机器人手臂的两线总线成为可能。除了优化功率密度和处理能力外，还可以通过以太网物理层收发器（如DP83TG721）添加单对以太网功能，从而在其系统中实现有线连接。

挑战3：更高的精度和准确度，以自动执行精确的运动任务

产品小型化对许多应用的电机选择（伺服、步进、BLDC）都有影响，并且电机控制和位置反馈的复杂性与这些较小的产品交互时实现精确运动。半导体创新正在实现支持小型化所需的更高精度。例如，电流传感器（如AMC3306）具有±50μV偏移，并且还包括一个集成电源。将这些功能集成到一个封装中，既可以提高控制环路的精度，又可以减小整体印刷电路板尺寸。

挑战4：优化能效，实现电池供电的移动应用

机器人不仅固定在原地;机器人应用程序正在走向移动化，被部署以帮助自主交付包裹并安全地探索地形。当前和未来的传感、处理和实时控制应用的半导体需要在高性能和能效之间取得平衡，以确保合理的电池寿命和可能的行程范围。

实现电源效率不一定很复杂，也不需要采用具有多个分立元件的复杂设计方法。例如，像MCT8316A这样的单电机控制器可以通过减少机器人中耗电组件的数量来帮助有效地运行小型泵和风扇电机。高度集成的MCT8316A包括六个金属氧化物半导体场效应晶体管，用于形成一个用于提供电机电流的半桥功率级，以及一个用于简单梯形电机控制的数字内核。

电机控制的下一步是什么？

明天的机器人肯定会让我们感到惊讶，轻松完成今天似乎不可能完成的任务 - 在海洋最深的海沟或未知的太空冒险中大量操作。新设计可能会采用越来越先进的传感器，正如我们在采用激光雷达和超声波技术时所看到的那样。我们与机器人交流的方法甚至可能会改变，从过去的有线机器人到现在更面向软件的解决方案。可访问性的增强可以使机器人更可靠地通过语音、视觉表达甚至只是一个想法来控制。在此过程中，随着机器人技术和应用的不断发展，保持它们运转的电机也必须不断发展。

审核编辑 黄宇