用于高性能机器人系统的电机驱动器

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。一个关键挑战是关节运动控制对低速和高扭矩的要求不允许有效利用伺服电机的机械特性，相反，这在最佳操作条件下产生高速和低扭矩。

因此，驱动单元的功能是确保电机与负载的速度和扭矩兼容，并实现机械扭矩从一个传递到另一个。传动部件还可以通过将电机定位在机器人底座上来减轻机械结构，从而提高静态和动态性能。

关节运动委托给允许机械结构所需运动的电机。在永磁、直流（有刷）和电子换向（无刷）电机这三种关键类型中，最能满足低惯性和高定位精度要求的一种是无刷直流电机，即 BLDC。

与使用机械开关的有刷电机相比，BLDC 没有机械开关，其中使用带电刷的旋转电枢进行电气连接。

运动部件的减少使无刷电机的使用寿命更长，仅受滚珠轴承磨损的限制。此外，绕组提高了散热和过载能力，与其他直流解决方案相比提供了更高的效率。

由于没有电刷，BLDC 还表现出出色的耐用性和低噪音特性。有两种主要类型的结构：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 电机将永磁体嵌入转子本身。

直流电机和驱动器

BLDC 提供高效率，但最重要的是，它提供了许多应用中使用的出色扭矩和速度值。它们使用带有旋转电枢的固定磁铁，该电枢结合了各种部件以提供电子开关。

BLDC 的设计旨在优化扭矩，该扭矩代表电机的旋转力大小，并与磁铁和线圈绕组有关。磁体中的极对数越多，电机扭矩越大。

一个例子是 Portescap 的 Ultra EC 平台，它由三个系列组成——ECS、ECT 和 ECP。根据扭矩和速度要求，这些无刷微型电机系列可用于各种应用。获得专利的 U 线圈提供最小的铁损，从而提供良好的效率和冷却器运行）。

STMicroelectronics 与 Maxon 合作开发了一种新套件，以加速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，内置 ST 功率晶体管，可随时连接到电机。STSPIN32F0A 包含关键的电机控制电路，包括 STM32F031C6 微控制器和采用紧凑型 7 × 7 毫米 VFQFPN 封装的三相逆变器驱动器。

BLDC 电机非常高效，但要满足日益严格的要求，公司不仅要改进电机的结构，还要改进驱动器。特别是，他们正在努力降低整体能源消耗并优化热管理。

在许多情况下，这些设计包含可最大限度减少所需外部组件数量的集成驱动器和可实现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。

由于 BLDC 没有以机械方式切换电流方向的结构，因此必须以电子方式进行切换。波形可分为两种主要类型：梯形和正弦形。由于温度限制和成本，有时会在不使用传感器的情况下根据三相电流或感应电压估计转子（磁铁）的位置。

驱动程序必须确保正确的电机控制，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) 非常适合提供为直流（和交流）电动机开发高效控制回路所需的性能水平和计算功能。

许多 MCU 支持信号处理功能，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试图消除提供定位数据的传感器。有许多 MCU 具有专为电机控制应用设计的外设。

例如，瑞萨电子的 RL78/G14 微控制器平衡了电流消耗水平和低电流消耗水平（CPU 工作时为 66 μ/MHz，待机或停止模式下为 240 nA），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，驱动也变得更加复杂。速度和扭矩由瞬态的开/关持续时间比控制；通常，这采用用于驱动绕组的 PWM 信号的形式。这种情况因使用单相、两相和三相电机而进一步复杂化。今天，许多集成设备被用作驱动阶段。通常，它们包括用于驱动外部功率 MOSFET 的栅极驱动器，这些功率 MOSFET 用于激励电机的最多三相。

电机需要大量电流，而控制器电路则以低电流信号运行。所以电机驱动器的作用就是把一个低电流的控制信号转换成一个可以驱动电机的高电流信号。

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，它们采用该公司经过验证的电机控制引擎 (MCE) 算法，可从控制协议开发过程中消除软件编码。

另一个节省空间的是德州仪器 (TI) 的智能栅极驱动器。这些驱动器集成了无源元件以减少电路板尺寸、元件数量、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。

在其广泛的驱动器产品组合中，TI 提供具有三个独立可控半 H 桥驱动器的 DRV8313。该设备旨在驱动三相无刷直流电机，但也可用于驱动螺线管或其他负载。集成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器件与存储公司的具有闭环速度控制功能的 TC78B025FTG 无刷三相电机驱动器 IC。该器件在 4.5 V 至 16 V 的电压范围内工作，并提供正弦驱动150° 切换。0.2 Ω (典型值) 的低导通电阻减少了 IC 在工作期间的自热，从而扩展了对高驱动电流的支持。

审核编辑：刘清