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高性能机器人系统的电机驱动器

2020-02-19 12:23 来源:电源网编译 编辑:咩咩

机器人系统主要由四个子系统组成:机械,执行器,测量和控制。关键挑战在于,对关节运动控制的低速和高扭矩要求无法有效利用伺服电机的机械特性,相反,在最佳工作条件下却会产生高速和低扭矩。

因此,驱动单元的功能是确保电动机的速度和转矩与负载兼容,并使机械转矩从一个传递到另一个。传动组件还可以通过将电机放置在机器人基座上来减轻机械结构,从而改善静态和动态性能。

关节运动委托给允许机械结构进行所需运动的电动机。在三种主要类型中,永磁体,直流(有刷)和电子换向(无刷)电动机中,最能优化低惯性和高定位精度要求的一种是无刷直流电动机,即BLDC。

与使用机械开关的有刷电动机相比,BLDC没有机械开关,在有刷电动机中,带电刷的旋转电枢用于进行电气连接。

活动部件的减少使无刷电机的使用寿命更长,仅受球轴承的磨损限制。此外,绕组改善了散热和过载能力,与其他直流解决方案相比,效率更高。

由于没有电刷,因此BLDC还具有出色的耐用性和低噪音特性。结构主要有两种:表面永磁体(SPM)和内部永磁体(IPM)。 SPM电机的磁铁附着在转子表面的外部。相反,IPM电动机将永磁体嵌入转子本身。

直流电动机和驱动器

BLDC提供高效率,但最重要的是,在许多应用中都使用了出色的扭矩和速度值。他们使用带有旋转电枢的固定磁铁,该电枢将各个部分结合在一起以提供电子开关。

BLDC的设计旨在优化代表电动机旋转力的转矩,该转矩与磁体和线圈绕组有关。磁铁中的极对数越多,电动机转矩越大。

一个例子是Portescap的Ultra EC平台,该平台由三个系列组成-ECS,ECT和ECP。根据扭矩和速度要求,这些无刷微型电动机系列可以用于多种应用中。获得专利的U形线圈可最大程度地减少铁损,从而提高效率,并降低运行温度(图1)。

高性能机器人系统的电机驱动器

图1:Portescap的Ultra EC电机(图片:Portescap)

意法半导体(STMicroelectronics)与Maxon(Maxon)共同开发了一种新套件,以加快机器人和工业应用的设计。 EVALKIT-ROBOT-1套件可在机器人应用中提供精确定位。

该套件包含ST的STSPIN32F0A智能三相控制器和一个完整的逆变器级,其中内置有ST功率晶体管,可随时连接到电动机。 STSPIN32F0A包含关键的电机控制电路,包括STM32F031C6微控制器和紧凑的7×7毫米VFQFPN封装的三相逆变器驱动器。

BLDC电机效率很高,但是要满足日益严格的要求的压力不仅要求公司改善电机的结构,而且还需要改善驱动器。特别是,他们正在努力减少总体能源消耗并优化热管理。

在许多情况下,这些设计都集成了集成驱动器,以最大程度地减少所需的外部组件数量,并集成了允许高度集成的片上系统解决方案。好处包括节省空间和能源,提高整体系统可靠性以及降低成本。

因为BLDC没有机械地切换电流方向的结构,所以必须以电子方式完成。波形可分为两种主要类型:梯形和正弦形。由于温度的限制和成本,在某些情况下,可能不使用传感器而根据三相电流或感应电压来估算转子(磁体)的位置。

驾驶员必须确保正确的电动机控制,以便他们可以在应用中相应地控制速度和方向。现代微控制器(MCU)非常适合提供开发用于DC(和AC)电动机的高效控制回路所需的性能和计算功能水平。

许多MCU支持信号处理功能,这些功能允许使用定位数据实时处理复杂的算法。这很重要,因为越来越多的应用程序正在尝试消除提供定位数据的传感器。许多MCU具有专门为电机控制应用设计的外设。

例如,瑞萨电子(Renesas Electronics)的RL78 / G14微控制器平衡了电流消耗水平与低电流消耗水平(CPU在运行时为66μ/ MHz,在待机或STOP模式下为240 nA),从而提供了高计算性能51.2 DMIPS(32 MHz)。集成的安全功能支持家用电器的安全标准IEC / UL 60730。

在BLDC电机中,驱动器也变得更加复杂。速度和转矩由瞬态的开/关持续时间比率控制;通常,这采用用于驱动绕组的PWM信号的形式。使用单相,两相和三相电动机会使这种情况更加复杂。如今,许多集成设备都被用作驱动阶段。通常,它们包括用于驱动外部功率MOSFET的栅极驱动器,该功率MOSFET用于激励多达三个电机的三相。

电机需要大量电流,而控制器电路则以低电流信号运行。因此,电动机驱动器的功能是获取低电流控制信号,然后将其转换为可以驱动电动机的高电流信号。

Infineon Technologies AG提供各种用于控制变速驱动器的集成产品。 iMOTION IC集成了无传感器磁场定向控制(FOC)所需的所有控制和模拟接口功能。此外,它们还采用了该公司久经考验的电机控制引擎(MCE)算法,该算法从控制协议开发过程中消除了软件编码。

另一个节省空间的是德州仪器(TI)的智能门驱动器。这些驱动器集成了无源组件,以减少电路板尺寸,组件数量,复杂性和设计成本。它们还使设计人员能够优化开关和电磁干扰(EMI)性能。

TI在其广泛的驱动器产品组合中为DRV8313提供了三个可单独控制的半H桥驱动器。该设备旨在驱动三相无刷直流电动机,尽管它也可以用于驱动螺线管或其他负载。集成的比较器允许构建限流电路或其他功能。

另一个例子是东芝电子设备和存储公司的具有闭环速度控制功能的TC78B025FTG无刷三相电动机驱动器IC。该设备使用4.5 V至16 V电压范围的电源供电,并提供正弦驱动150°切换。 0.2Ω(典型值)的低导通电阻降低了IC在工作期间的自发热,从而将支持范围扩大到高驱动电流。

本文编译自powerelectronicsnews。


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