電機驅動器創新如何助力應對機器人運動設計挑戰

從輔助外科手術到在制造工廠里舉起數千公斤的重物，機器人為我們生活的許多方面提供了便利。機器人對現代化世界的影響顯而易見，但您是否思考過機器人系統如何實現如此精確、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來調整位置和方向，這些運動一般通過電機實現。

傳統的機器人應用場景主要專注于機械驅動（如手臂操縱或傳送帶循環），而現代應用場景則簡單得多，就像相機旋轉或精準機械光束轉向激光雷達傳感器。您可能會驚訝地發現，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，機械臂關節中的無刷直流 (BLDC) 電機（如圖 1 所示）通常包括旋轉的轉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，從而產生磁力，使轉子運動，進而旋轉機械臂內的關節。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 電機結構橫截面圖

電機如何驅動下一代機器人

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

挑戰 1：實現人機協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作和互動，協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揮著至關重要的作用。這些器件的功能安全性經過認證，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 等智能柵極驅動器可以通過經 TüV SüD 認證的技術報告幫助工程師實現其安全目標。該支持文件可指導工程師完成根據 IEC 61800-5-2 標準實現安全扭矩關閉所需的設計步驟。無論是 MCU 還是柵極驅動器，借助某些元件都可以簡化設計過程，實現功能安全的電機系統。

挑戰 2：通過分散式電機架構減輕重量、簡化布線并降低成本

電機電子設備正從采用控制柜轉為直接集成到機器人關節中，這有助于減輕重量、簡化布線并降低系統成本。這一趨勢促使元件制造商致力于開發能在更小巧的集成電路封裝內集成更多功能的解決方案?？臻g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 的系統可以產生分辨率為皮秒級的脈寬調制信號。這些特性實現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物理層收發器（如 DP83TG721）添加單對以太網功能來優化有線連接。

挑戰 3：實現精確運動任務自動化需要更高的精度和準確度

產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，以便能夠實現與這些小型產品進行互動的精確運動。半導體創新使實現產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 4：優化電源效率，實現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，以及一個數字核心，無需編寫代碼即可實現簡單的梯形電機控制。

電機控制的未來發展前景如何？

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，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展，驅動其運動所需的電機也勢必不斷發展。

審核編輯 黃宇