電機驅(qū)動器創(chuàng)新如何助力應對機器人運動設計挑戰(zhàn)

從輔助外科手術到在制造工廠里舉起數(shù)千公斤的重物，機器人為我們生活的許多方面提供了便利。機器人對現(xiàn)代化世界的影響顯而易見，但您是否思考過機器人系統(tǒng)如何實現(xiàn)如此精確、快速和強大的運動？如果答案是通過電機，那么恭喜您回答正確！

機器人往往是模仿本應由人類執(zhí)行的操作；有鑒于此，它的功能主要包括通過某種形式的位移或旋轉(zhuǎn)來調(diào)整位置和方向，這些運動一般通過電機實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的機器人應用場景主要專注于機械驅(qū)動（如手臂操縱或傳送帶循環(huán)），而現(xiàn)代應用場景則簡單得多，就像相機旋轉(zhuǎn)或精準機械光束轉(zhuǎn)向激光雷達傳感器。您可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)，電機的基本應用是最基礎不過的風扇和泵，但實際上卻對散熱和液壓起著重要作用。

舉例來說，機械臂關節(jié)中的無刷直流 (BLDC) 電機（如圖 1 所示）通常包括旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和保持靜止的定子。應用電信號使定子上的線圈繞組通電能夠形成磁場，從而產(chǎn)生磁力，使轉(zhuǎn)子運動，進而旋轉(zhuǎn)機械臂內(nèi)的關節(jié)。合理使用電子信號，機械臂不僅僅會運動，更能夠以特定的速度、位置精度和扭矩運動。

圖1 BLDC電機結(jié)構(gòu)橫截面圖

電機如何驅(qū)動下一代機器人

除了涉及到運動的精確和強大任務外，微控制器 (MCU) 和集成電機驅(qū)動器等電機控制半導體的進步正在優(yōu)化機器人的運動方式，而要實現(xiàn)這一目標卻面臨著 4 大挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：實現(xiàn)人機協(xié)作的安全性要求不斷提高

過去，出于安全性考慮，人類和機器人需要嚴格分離，通常是將機器人放在籠子里。自動化程度的提高需要更緊密的人機協(xié)作和互動，協(xié)作機器人有助于提高工作效率，但需要能夠確保安全停止、安全速度、扭矩和運動控制的電機。

C2000? 32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在幫助滿足安全性要求方面發(fā)揮著至關重要的作用。這些器件的功能安全性經(jīng)過認證，可以集成用于診斷的安全外設，從而簡化符合國際標準化組織 (ISO) 10218 標準的設計。在頻譜的模擬端，DRV8353F 等智能柵極驅(qū)動器可以通過經(jīng) TüV SüD 認證的技術報告幫助工程師實現(xiàn)其安全目標。該支持文件可指導工程師完成根據(jù) IEC 61800-5-2 標準實現(xiàn)安全扭矩關閉所需的設計步驟。無論是 MCU 還是柵極驅(qū)動器，借助某些元件都可以簡化設計過程，實現(xiàn)功能安全的電機系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)2：通過分散式電機架構(gòu)減輕重量、簡化布線并降低成本

電機電子設備正從采用控制柜轉(zhuǎn)為直接集成到機器人關節(jié)中，這有助于減輕重量、簡化布線并降低系統(tǒng)成本。這一趨勢促使元件制造商致力于開發(fā)能在更小巧的集成電路封裝內(nèi)集成更多功能的解決方案。空間限制也要求具備更高的功率密度和電源效率。

氮化鎵場效應晶體管（如 LMG3422R050）集成了柵極驅(qū)動器，可以將功率級效率提高到 99% 以上，從而使集成電機減少或消除對散熱器的需求。借助實時通信外設和絕對編碼器接口，采用 TMS320F28065 等 MCU 的系統(tǒng)可以產(chǎn)生分辨率為皮秒級的脈寬調(diào)制信號。這些特性實現(xiàn)了將布線從每個電機 10 多條電纜減少到整個機械臂共兩條總線。在此配置中使用 MCU 和 GaN 場效應晶體管，使設計人員能夠通過以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（如 DP83TG721）添加單對以太網(wǎng)功能來優(yōu)化有線連接。

挑戰(zhàn)3：實現(xiàn)精確運動任務自動化需要更高的精度和準確度

產(chǎn)品小型化對許多應用的電機選擇（伺服、步進或無刷直流電機）產(chǎn)生了一定影響，并且電機控制和位置反饋復雜性隨之提高，以便能夠?qū)崿F(xiàn)與這些小型產(chǎn)品進行互動的精確運動。半導體創(chuàng)新使實現(xiàn)產(chǎn)品小型化所需的更高精度成為可能。例如，?AMC3306 等電流傳感器具有? 50μV 失調(diào)電壓和集成式電源。將這些特性集于一個封裝中，既可以提高控制回路的精度，又可以縮減印刷電路板的整體尺寸。

挑戰(zhàn)4：優(yōu)化電源效率，實現(xiàn)電池供電的移動應用

機器人并不只是固定于一處，其應用正趨向于移動化，用于幫助自動遞送包裹和安全探索地形。當前和未來用于感應、處理和實時控制應用的半導體需要在高性能和電源效率之間實現(xiàn)平衡，從而確保合理的電池使用壽命和可能的行程范圍。

實現(xiàn)高電源效率并不一定十分復雜，也不需要使用多個分立元件的復雜設計方法。例如，像 MCT8316A 這樣的單電機控制器可以通過減少機器人中功耗元件的數(shù)量來有效地操作小型泵和風扇電機。這款高度集成的器件包括六個金屬氧化物半導體場效應晶體管，可形成用于輸送電機電流的半橋功率級，以及一個數(shù)字核心，無需編寫代碼即可實現(xiàn)簡單的梯形電機控制。  

電機控制的未來發(fā)展前景如何？

未來的機器人定會超乎想象，它們能輕松完成今天看來不可能完成的任務 - 頻繁在海洋最深的海溝中作業(yè)，或在未知的太空中冒險。新型設計可能會采用越來越先進的傳感器，正如我們目前所看到的激光雷達和超聲波技術。從過去的有線機器人到現(xiàn)在更多地采用面向軟件的解決方案，我們與機器人交流的方式甚至可能發(fā)生變化?？稍L問性的增強使得能夠通過語音、視覺表達甚至僅僅是思維來更可靠地控制機器人。在這種演變過程中，隨著機器人技術和應用的不斷發(fā)展，驅(qū)動其運動所需的電機也勢必不斷發(fā)展。