用于高性能機器人系統的電機驅動器

機器人系統主要由四個子系統組成：機械、執行器、測量和控制。一個關鍵挑戰是關節運動控制對低速和高扭矩的要求不允許有效利用伺服電機的機械特性，相反，這在最佳操作條件下產生高速和低扭矩。

因此，驅動單元的功能是確保電機與負載的速度和扭矩兼容，并實現機械扭矩從一個傳遞到另一個。傳動部件還可以通過將電機定位在機器人底座上來減輕機械結構，從而提高靜態和動態性能。

關節運動委托給允許機械結構所需運動的電機。在永磁、直流（有刷）和電子換向（無刷）電機這三種關鍵類型中，最能滿足低慣性和高定位精度要求的一種是無刷直流電機，即 BLDC。

與使用機械開關的有刷電機相比，BLDC 沒有機械開關，其中使用帶電刷的旋轉電樞進行電氣連接。

運動部件的減少使無刷電機的使用壽命更長，僅受滾珠軸承磨損的限制。此外，繞組提高了散熱和過載能力，與其他直流解決方案相比提供了更高的效率。

由于沒有電刷，BLDC 還表現出出色的耐用性和低噪音特性。有兩種主要類型的結構：表面永磁體（SPM）和內部永磁體（IPM）。SPM 電機的磁鐵附著在轉子表面的外部。相反，IPM 電機將永磁體嵌入轉子本身。

直流電機和驅動器

BLDC 提供高效率，但最重要的是，它提供了許多應用中使用的出色扭矩和速度值。它們使用帶有旋轉電樞的固定磁鐵，該電樞結合了各種部件以提供電子開關。

BLDC 的設計旨在優化扭矩，該扭矩代表電機的旋轉力大小，并與磁鐵和線圈繞組有關。磁體中的極對數越多，電機扭矩越大。

一個例子是 Portescap 的 Ultra EC 平臺，它由三個系列組成——ECS、ECT 和 ECP。根據扭矩和速度要求，這些無刷微型電機系列可用于各種應用。獲得專利的 U 線圈提供最小的鐵損，從而提供良好的效率和冷卻器運行）。

STMicroelectronics 與 Maxon 合作開發了一種新套件，以加速機器人和工業應用的設計。EVALKIT-ROBOT-1 套件可在機器人應用中提供精確定位。

該套件包含 ST 的 STSPIN32F0A 智能三相控制器和一個完整的逆變器級，內置 ST 功率晶體管，可隨時連接到電機。STSPIN32F0A 包含關鍵的電機控制電路，包括 STM32F031C6 微控制器和采用緊湊型 7 × 7 毫米 VFQFPN 封裝的三相逆變器驅動器。

BLDC 電機非常高效，但要滿足日益嚴格的要求，公司不僅要改進電機的結構，還要改進驅動器。特別是，他們正在努力降低整體能源消耗并優化熱管理。

在許多情況下，這些設計包含可最大限度減少所需外部組件數量的集成驅動器和可實現高度集成的片上系統解決方案。好處包括節省空間和能源、提高整體系統可靠性以及降低成本。

由于 BLDC 沒有以機械方式切換電流方向的結構，因此必須以電子方式進行切換。波形可分為兩種主要類型：梯形和正弦形。由于溫度限制和成本，有時會在不使用傳感器的情況下根據三相電流或感應電壓估計轉子（磁鐵）的位置。

驅動程序必須確保正確的電機控制，以便他們可以在應用中相應地控制速度和方向?，F代微控制器 (MCU) 非常適合提供為直流（和交流）電動機開發高效控制回路所需的性能水平和計算功能。

許多 MCU 支持信號處理功能，允許使用定位數據實時處理復雜的算法。這很重要，因為越來越多的應用程序正試圖消除提供定位數據的傳感器。有許多 MCU 具有專為電機控制應用設計的外設。

例如，瑞薩電子的 RL78/G14 微控制器平衡了電流消耗水平和低電流消耗水平（CPU 工作時為 66 μ/MHz，待機或停止模式下為 240 nA），提供了高計算性能51.2 DMIPS (32 MHz)。集成的安全功能支持家用電器的安全標準 IEC/UL 60730。

在 BLDC 電機中，驅動也變得更加復雜。速度和扭矩由瞬態的開/關持續時間比控制；通常，這采用用于驅動繞組的 PWM 信號的形式。這種情況因使用單相、兩相和三相電機而進一步復雜化。今天，許多集成設備被用作驅動階段。通常，它們包括用于驅動外部功率 MOSFET 的柵極驅動器，這些功率 MOSFET 用于激勵電機的最多三相。

電機需要大量電流，而控制器電路則以低電流信號運行。所以電機驅動器的作用就是把一個低電流的控制信號轉換成一個可以驅動電機的高電流信號。

Infineon Technologies AG 提供各種用于控制變速驅動器的集成產品。iMOTION IC 集成了無傳感器磁場定向控制 (FOC) 所需的所有控制和模擬接口功能。此外，它們采用該公司經過驗證的電機控制引擎 (MCE) 算法，可從控制協議開發過程中消除軟件編碼。

另一個節省空間的是德州儀器 (TI) 的智能柵極驅動器。這些驅動器集成了無源元件以減少電路板尺寸、元件數量、復雜性和設計成本。它們還使設計人員能夠優化開關和電磁干擾 (EMI) 性能。

在其廣泛的驅動器產品組合中，TI 提供具有三個獨立可控半 H 橋驅動器的 DRV8313。該設備旨在驅動三相無刷直流電機，但也可用于驅動螺線管或其他負載。集成比較器允許構建限流電路或其他功能。

另一個例子是東芝電子器件與存儲公司的具有閉環速度控制功能的 TC78B025FTG 無刷三相電機驅動器 IC。該器件在 4.5 V 至 16 V 的電壓范圍內工作，并提供正弦驅動150° 切換。0.2 Ω (典型值) 的低導通電阻減少了 IC 在工作期間的自熱，從而擴展了對高驅動電流的支持。

審核編輯：劉清