Проектирование точных приводов двигателей для передовых робототехнических систем

Робототехнический манипулятор программируется на трех или более осях, определяющих движения робота — либо роботизированных рук, либо тела. Эти манипуляторы автоматически управляются и перепрограммируются без физической модификации, и они адаптируются к различным приложениям системы управления. Изначально созданные для работы в суровых или недоступных средах, современные промышленные системы становятся всё более сложными и интегрируют робототехнику, выполняющую многие ранее ручные операции более точно и быстрее, чем человек.

Робототехническая система в основном состоит из четырех подсистем: механической, приводной, измерительной и управления. Ключевая проблема в том, что требования к низкой скорости и высокому крутящему моменту для управления движением суставов не позволяют эффективно использовать механические характеристики сервоприводов, которые, напротив, выдают высокую скорость и низкий момент при оптимальных условиях.

Следовательно, функция приводного блока — обеспечить совместимость скорости и момента двигателей и нагрузок и передачу механического момента от одного к другому. Трансмиссионные компоненты также позволяют улучшить статическую и динамическую производительность за счет облегчения механической структуры через размещение двигателей у основания робота.

Движение суставов доверяется двигателям, обеспечивающим желаемое движение механической структуры. Среди трех ключевых типов — постоянный магнит, постоянный ток (с коллектором) и электронная коммутация (бесколлекторные) электрические двигатели — тот, что лучше оптимизирует требования к низкой инерции и высокой позиционной точности, — бесколлекторный двигатель постоянного тока, или BLDC.

Рисунок 1: Схема бесколлекторного двигателя постоянного тока (Изображение: Portescap)

BLDC не имеют механического коммутации по сравнению с коллекторными двигателями, использующими механическую коммутацию, где вращающиеся якоря с щетками используются для электрических соединений.

Сокращение движущихся частей дает бесколлекторным двигателям долгую жизнь, ограниченную только износом шаровых подшипников. Кроме того, обмотки улучшают рассеивание тепла и перегрузочную способность, предлагая высокую эффективность по сравнению с другими DC решениями.

Благодаря отсутствию щеток, BLDC также демонстрирует отличную долговечность и низкий шум. Существует два основных типа структур: поверхностный постоянный магнит (SPM) и внутренний постоянный магнит (IPM). SPM двигатели имеют магниты, прикрепленные к внешней поверхности ротора. IPM двигатели, вместо этого, имеют постоянный магнит, встроенный в сам ротор.

DC двигатели и драйверы

BLDC предлагают высокую эффективность, но прежде всего, отличные значения момента и скорости, используемые во многих приложениях. Они используют стационарный магнит с вращающимся якорем, комбинирующим различные части для обеспечения электронной коммутации.

Дизайн BLDC направлен на оптимизацию момента, представляющего вращательную силу двигателя, и связанного с магнитом и обмоткой катушки. Чем больше пар полюсов в магните, тем больше момент двигателя.

Один пример — платформа Portescap Ultra EC, состоящая из трех семейств — ECS, ECT и ECP. Эти бесколлекторные мини-двигатели семейств, в зависимости от требований к моменту и скорости, могут использоваться в ряде приложений. Патеントованная U-обмотка предлагает минимальные железные потери, что дает хорошую эффективность и более холодную работу (Рисунок 2).

Рисунок 2: Ультра EC двигатель Portescap (Изображение: Portescap)

Бесколлекторные двигатели Maxon Motor AG серии EC-i доступны в малых диаметрах, подходящих для робототехнических приложений. Они предлагают 30-мм диаметр и характеризуются высокой динамикой и высоким моментом.

Семейство EC-i доступно в нескольких размерах, каждый в стандартной и высокомоментной версии, с максимальным номинальным моментом до 110 мНм при 75 Вт. Во всех версиях EC-i 30 двигатели могут быть расширены энкодерами, редукторами, серво-контроллерами или контроллерами позиционирования (Рисунок 3).

Рисунок 3: Двигатель EC-i Maxon Motor (Изображение: Maxon Motor)

STMicroelectronics вместе с Maxon разработала новый комплект для ускорения дизайна робототехнических и промышленных приложений. Комплект EVALKIT-ROBOT-1 предлагает точное позиционирование в робототехнических приложениях.

Комплект содержит интеллектуальный трехфазный контроллер ST STSPIN32F0A и полную инверторную стадию, построенную на силовых транзисторах ST, готовых для подключения к двигателю. STSPIN32F0A содержит критические цепи управления двигателем, включая микроконтроллер STM32F031C6 и трехфазный драйвер инвертора в компактном корпусе 7 × 7 мм VFQFPN (Рисунок 4).

Прошивка управления двигателем позволяет дизайнерам запустить двигатель и начать отправку команд для легкой оптимизации проекта. Комплект включает 100-Вт BLDC двигатель Maxon (EC-i 40) со встроенным 1024-импульсным инкрементным энкодером. Также включены датчики Холла для детекции позиции ротора.

Рисунок 4: Комплект разработки ST EVALKIT-ROBOT-1 (Изображение: STMicroelectronics)

BLDC двигатель довольно эффективен, но давление удовлетворять все более строгие требования заставляет компании улучшать не только конструкцию двигателя, но и драйвер. В частности, они работают над снижением общего энергопотребления и оптимизацией теплового управления.

Во многих случаях эти дизайны включают интегрированные драйверы, минимизирующие количество внешних компонентов, и system-on-chip решения, позволяющие высокий уровень интеграции. Преимущества включают экономию места и энергии, улучшение общей надежности системы и снижение затрат.

Поскольку BLDC не имеет структуры для механического переключения направления тока, это должно делаться электронно. Волны можно разделить на два основных типа: трапецеидальные и синусоидальные. Из-за температурных ограничений и затрат есть случаи, когда позиция ротора (магнита) оценивается из трехфазного тока или индуцированного напряжения без использования датчиков.

Драйверы должны обеспечивать правильное управление двигателем, чтобы они могли контролировать скорость и направление соответственно в приложении. Современные микроконтроллеры (MCU) идеально подходят для предоставления уровня производительности и вычислительной функциональности, необходимых для разработки высокоэффективных контуров управления для DC (и AC) электрических двигателей.

Многие MCU поддерживают функции обработки сигналов, позволяющие обрабатывать сложные алгоритмы в реальном времени используя данные позиционирования. Это важно, потому что всё больше приложений пытаются устранить датчики, предоставляющие данные позиционирования. Существует много MCU с периферией, специально спроектированной для приложений управления двигателями.

Например, микроконтроллеры Renesas Electronics RL78/G14 балансируют уровень потребления тока с низкими уровнями утечки (66 мкА/МГц когда CPU работает и 240 нА в standby/STOP режиме), предлагая высокую вычислительную производительность 51,2 DMIPS (32 МГц). Интегрированные функции безопасности поддерживают стандарт безопасности IEC/UL 60730 для бытовых приборов.

В BLDC двигателях драйвер также становится более сложным. Скорость и момент контролируются отношением длительности вкл/выкл переходов; обычно это принимает форму PWM сигнала для управления обмотками. Это условие дополнительно усложняется использованием одно-, двух- и трехфазных двигателей. Сегодня многие интегрированные устройства используются как драйверная стадия. Типично они включают гейт-драйверы для управления внешними силовыми MOSFET, используемыми для возбуждения до трех фаз двигателя.

Двигатель требует большое количество тока, в то время как цепь контроллера работает на низкотоковых сигналах. Так функция драйверов двигателя — взять низкотоковый контрольный сигнал и преобразовать его в более высокий токовый сигнал, способный управлять двигателем.

Infineon Technologies AG предлагает разнообразие интегрированных продуктов для управления переменными скоростными приводами. IC iMOTION интегрируют все функции управления и аналогового интерфейса, требуемые для бесдатчикового поле-ориентированного управления (FOC). Кроме того, они обладают проверенным алгоритмом двигательного управления (MCE), устраняющим программирование из процесса разработки контрольного протокола.

Другим пространствосберегающим решением являются умные гейт-драйверы от Texas Instruments Inc. (TI). Эти драйверы интегрируют пассивные компоненты для уменьшения размера платы, количества компонентов, сложности и затрат на проектирование. Они также позволяют дизайнерам оптимизировать коммутацию и электромагнитные помехи (EMI) производительность.

В своем обширном портфолио драйверов TI предлагает DRV8313 с тремя индивидуально управляемыми полумостовыми драйверами H-моста. Устройство спроектировано для управления трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока, хотя также может использоваться для управления соленоидами или другими нагрузками. Интегрированный компаратор позволяет строить цепи ограничения тока или другие функции.

Другой пример — TC78B025FTG трехфазный драйвер бесколлекторного двигателя с функцией замкнутого управления скоростью от Toshiba Electronic Devices & Storage Corp. Устройство работает с питанием в диапазоне 4,5–16 В и обеспечивает синусоидальный привод с 150° коммутацией. Низкое активное сопротивление 0,2 Ом (тип.) снижает самонагрев ИС во время работы, расширяя поддержку высоких токов привода.

Электрическая изоляция

В общем, проектировщики электрических двигателей знают, что они должны соответствовать международным стандартам изоляции для предотвращения помех от внешних источников и обеспечения электрической безопасности пользователей. Использование цифровой изоляции предлагает несколько преимуществ, включая более быстрый отклик, позволяющий интегрировать защиту от перенапряжения и сокращать время простоя. Это обеспечивает более прогрессивное изменение выходных напряжений, тем самым улучшая контроль момента.

Поскольку оптопары основаны на оптоэлектронной технологии, они являются экстремально надежным методом обеспечения электрической изоляции без физического контакта. Это предлагает много преимуществ над традиционным подходом на основе электромеханических компонентов таких как реле. Ключевые преимущества включают бес износ работы, относительно низкую стоимость дополнительных компонентов, минимальную площадь платы, иммунитет к EMI, высокую надежность и долгую эксплуатационную жизнь.

В приложениях привода двигателя две основные части цепи требуют изоляции: гейт-драйв для изолированного гейта биполярного транзистора (IGBT) (устройств с коллектором и эмиттером с одной стороны и управляемым гейтом с другой) в мостовых инверторах и детекция фазного тока в двигателе. Фазное чувствование тока обеспечивает защиту IGBT и обратную связь контроллеру для поддержания управления замыканием по току.

Вот несколько примеров оптопар, которые могут использоваться в робототехнических приложениях:

Оптопары RV1S92xxA и RV1S22xxA с длиной корпуса 2,5 мм от Renesas Electronics Corp. позволяют сократить площадь печатной платы на 35% по сравнению с подобными устройствами, помогая дизайнерам уменьшить размер своих робототехнических систем. Благодаря усиленной изоляции, RV1S92xxA и RV1S22xxA позволяют 200-В и 400-В системам превышать стандарты безопасности. Все устройства соответствуют строгим стандартам UL61800-5-1 управления двигателями и UL61010-2-201, применяемым к системам управления таким как ПЛК (Рисунок 5).

Рисунок 5: Поперечное сечение оптопар Renesas Electronics RV1S92xxA и RV1S22xxA (Изображение: Renesas)

TLP5214 Toshiba — высокоинтегрированный гейт-драйвер оптопара с выходным током 4 А в корпусе SO16L. TLP5214 имеет передовые встроенные функции такие как детекция десатурации IGBT, изолированная обратная связь статуса ошибки, мягкое отключение IGBT, активное блокирование Миллера и блокировку по поднапряжению (UVLO). Подходит для управления IGBT и силовыми MOSFET в инверторных приложениях.

Заключение

Будет ли двигатель использоваться в промышленных или непромышленных условиях, проектирование высококлассных систем управления движением с точными позиционными возможностями сложно и требует экстремально надежных решений привода и оптимальной механической конструкции.

В более недавние годы электрические двигатели также связаны с الناشющими робототехническими приложениями такими как дроны и Сельское хозяйство 4.0, которые увидели ускоренные достижения благодаря новым производственным системам таким как быстрый прототипирование, выделенные операционные системы и интегрированные системы управления.