电机驱动创新，如何解决机器人运动控制中的设计挑战？

来源：贸泽电子

电机是机器人执行器系统的关键部件，负责机器人的移动和控制。根据电磁原理，电机可将电能转化为机械能，从而为机器人的物理运动提供动力。现在，机器人可以完成从简单的轮子旋转到非常复杂的医疗手术等操作，这一过程通常由机器人控制器来掌控，它们通过向电机发送控制信号以达到执行这些动作的目的。因此，机器人中选定的电机及其驱动方案在很大程度上决定了机器人的精度、速度、扭矩以及其他重要的性能属性。

机器人中使用的电机类型

机器人中使用的电机有多种类型，包括直流电机、伺服电机和步进电机等，每种电机都具有独特的功能，适用于各种应用。

1、直流电机

直流（DC）电机是机器人技术中使用非常多的电机类型，它们的使用和控制简单，有良好的速度范围。直流电机又分为有刷和无刷两种类型。

有刷直流电机：这些电机由旋转电枢、固定定子和换向器组成。电刷与换向器进行物理接触，因此该类型电机相对容易控制。然而，由于电刷会随着时间的推移而磨损，因此需要时常更换，从而导致维护成本较高。

无刷直流电机：无刷直流（BLDC）电机是使用电子换向的电机类型中的一个例子。它们使用控制器来改变电流的方向，而不是使用电刷。由于无刷直流电机去除了电刷，唯一磨损的部件只有轴承，因此它们拥有更好的性能、更低的电噪声以及更高的可靠性。相比较而言，无刷直流电机比有刷电机更高效、更可靠，使用寿命更长，但无刷直流电机需要硬件/软件控制系统来进行正确的速度和扭矩调节，在成本上可能要高于有刷电机。

2、伺服电机

伺服电机由直流电机、齿轮箱、电位计和控制电路组成，以精确度高著称。伺服电机的位置可以使用脉宽调制（PWM）信号进行非常精确的控制，特别适合那些需要精确运动控制的应用。

3、步进电机

步进电机的工作方式与直流电机和伺服电机不同，它们以较高的移动精度提供了对位置和速度的卓越控制。步进电机采用数字控制方案，在低速时具有高扭矩，非常适合需要将负载长时间保持在特定位置的应用。

相信大家已经注意到，在机器人中很少看到交流电机的应用。这个现象的出现主要有以下几个原因：

一是控制复杂。相对而言，直流电机的控制较简单，它们能提供恒定且稳定的电流，便于管理速度、扭矩和方向。伺服电机和步进电机基本上也属于直流设备，可提供对位置、速度和加速度的卓越控制。而交流电机需要依靠交流电源的频率来控制电机的参数，这使得它们在速度和扭矩方面的管理变得很复杂。

二是电源效率低。大多数机器人系统使用电池作为主要电源，提供的是直流电。将直流电转换为交流电必须要有额外的组件，一方面增加了电机控制系统的复杂性，另一方面降低了电源效率。

三是尺寸和重量无优势。直流电机尤其是无刷直流电机可以提供高扭矩与重量比，使其更适合移动机器人应用。在移动机器人应用中，极小化重量是至关重要的考量因素。交流电机尤其是感应电机，在相同的功率输出下往往更重。

尽管有这些不足，交流电机在一些工业机器人中有时会被用于需要高功率和高速度而不是高精度的特定任务。例如，交流感应电机可以用于驱动自动化工厂生产线中的传送带。

BLDC电机的控制及驱动设计

无刷直流电机（BLDC）与其他类别的电机（如有刷电机）相比具有一些显著的优势。具体表现为：在任何负载条件下BLDC都能准确调节其性能，同时具有更高的效率和更低的响应时间，且几乎无需维护。这些特性使得BLDC广泛应用于从极小的电机驱动器（如计算机硬盘驱动器）到电动汽车（EV），以及机器人和工业自动化中使用的大机械臂等各种应用中。下面我们就以BLDC为例介绍相关的电机控制及驱动设计方案。

目前有两种主要的电机驱动器技术，分别是硅绝缘栅双极晶体管（Si-IGBT）和硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si-MOSFET）。Si-IGBT的开关速度较慢，通常被认为是稳健且具有成本效益的电机驱动方案，非常适合低速开关应用。考虑到Si-IGBT的缓慢恢复特性，当开关频率超过16kH时通常不会再使用它，而是改用Si-MOSFET。与Si-IGBT解决方案相比，Si-MOSFET在电机驱动中更具优势，它的高速及其他特性非常适合复杂的电机驱动方案，如工业机器人。

在功率密度方面，可能早期的Si-MOSFET不一定能达到与Si-IGBT相同的水平。然而，新一代的Si-MOSFET显著降低了漏极-源极导通电阻RDS(on)，极大限度地减少了传导损耗，从而实现功率密度的大幅提升。

onsemi


图1：onsemi NTTFS012N10MD N沟道MOSFET（图源：Mouser）

onsemi（安森美）的N沟道MOSFET NTTFS012N10MD，采用先进的PowerTrench工艺设计，经过工艺优化的NTTFS012N10MD以极低的导通电阻RDS(on)实现了极低的传导损耗，同时还能保持优异的开关性能。NTTFS012N10MD MOSFET具有的低QG和电容可很大限度地减少电机驱动器的损耗，低QRR、软恢复体二极管和低QOSS可提高轻负载效率，非常适用于BLDC电机驱动方案。

在机器人驱动方案中，一种新兴的技术——氮化镓场效应晶体管（GaN FET）正在逐渐获得应用。然而，由于GaN FET技术相对较新，且驱动电路相对复杂，还需要非常仔细地控制栅极节点激励，因此，大多数现代工业机器人驱动方案目前仍以Si-MOSFET为主。

在方案的选择上，如果所涉及的功率较高，首选基于分立器件的定制化设计，其中可以使用更适合特定应用的基于Si或GaN的开关器件。对于低功耗应用，商用集成解决方案更具性价比。

一般来说，集成驱动电路可以满足大多数应用的需求，具有简化设计、缩短上市时间以及降低应用开发和测试成本的优点。Texas Instruments（德州仪器）的MCT8316Z就是集成电机驱动器的一个例子。

Texas Instruments


图2：用于感应无刷直流电机梯形控制的评估板MCT8316ZTEVM（图源：TI）

这是一款三个半H桥集成MOSFET驱动器，用于12V/24VDC、8A峰值电流驱动的三相无刷直流（BLDC）电机的感应梯形控制。在单个芯片上集成了三个用于转子位置传感的模拟霍尔比较器，以实现感应梯形无刷直流电机控制，RDS（on）极低，仅为95mΩ（高侧和低侧组合）。因为电流是利用电流检测功能在内部测量的，在设计中可以省去外部感测电阻。MCT8316Z支持降压调节器，可通过可编程稳压电源支持200mA。要想快速完成开发任务，可通过MCT8316ZTEVM提前进行仿真。该EVM包括一个板载MSP430、MSP430FR2355，用于与MCT8316ZTEVM GUI接口。

BLDC电机的控制方案

对于BLDC电机的控制方案，我们可以通过使用不同的电流切换技术来实现，设计人员通常采用一下三种技术：

一是梯形控制。这是非常简单的电机控制技术，主要缺点是阶跃换向会导致扭矩振荡，尤其是在低速时会出现令人讨厌的电机振动。

二是正弦控制。这种技术提供了更平滑的相位之间的电流切换，并减少了扭矩波动，尤其是电机在高速运转时，实现了更平稳的功率传输。当然，达到这一结果是以更大的方案复杂性为代价。

三是磁场定向控制（FOC）。这项技术基于定子电流的测量和调节，确保转子和定子磁通之间的角度始终为90˚。与正弦方法相比，该技术在高速运行下更有效，并提供了适应动态负载动态变化的能力。

经典的无刷直流控制器使用半桥拓扑，与全H桥解决方案相比，它只使用两个开关：一个晶体管在高边，一个在低边。由于三相无刷直流电机比单相或两相性能更好、效率更高，已用于大多数机器人和工业自动化应用，因此典型的控制器方案通常都包括三个半桥。通过依次打开和关闭高边和低边晶体管，电流可以流过定子绕组使其旋转。高边开关通常使用脉宽调制（PWM）技术进行控制，该技术将直流输入电压转换为调制的驱动电压。PWM的使用可以实现更高效的管理，并确保对速度和扭矩的更精确控制。

BLDC也被称为电子换向电机，磁场定向控制（FOC）是目前广受欢迎的无刷电机控制技术之一。NXP（恩智浦）提供从紧凑型多轴运动控制到高性能机器人应用的解决方案，有广泛的产品组合支持开发BLDC控制应用。

NXP


图3：适用于BLDC、PMSM等无传感器电机控制的Kinetis KV3x系列MCU系统方框图（图源：NXP）

例如，恩智浦GD3000就是一款面向三相无刷直流电机驱动应用的栅极驱动器IC，提供3个半桥驱动器，其中每个驱动器可驱动两个N通道MOSFET。

KV系列MCU是NXP EdgeVerse边缘计算平台的一部分，支持BLDC、PMSM和ACIM电机控制以及数字电源转换应用。

其中，Kinetis KV3x系列MCU是适用于BLDC、PMSM和ACIM等无传感器电机控制，采用主频为100/120MHz、带DSP指令集和浮点运算单元的Arm Cortex-M4内核，配备两个采样率高达每秒120万次(MSPS)的12位ADC，另有多个电机控制定时器，64至512KB闪存，以及来自原厂和第三方的全面支持套件和参考设计。

Kinetis KV4x系列MCU是一种面向高性能电机控制的解决方案，有优异的精度、感应和控制能力。它同样采用Arm Cortex-M4内核，但运行频率达到168MHz，另有两个12位16通道ADC，多达12通道的eFlexPWM拥有高达312ps的分辨率，非常适用于要求严格的电机控制。

机器人电机驱动的未来

电机电子设备正从控制柜中转为直接集成到机器人关节中，从而大幅降低机器人的重量、布线复杂性和系统成本。这一趋势促使组件制造商不断开发出能够在更小的集成电路封装中实现更多功能集成的解决方案。同时，空间限制也要求电机驱动和控制要有更高的功率密度和功率效率。GaN FET具有集成栅极驱动器，将其用于下一代机器人的电机驱动和控制方案中，可将功率效率提高到99%以上。

Texas Instruments的LMG3422R050就是一款具有集成式驱动器和保护功能的600V GaN FET，该器件集成了一个硅驱动器，与传统的共源共栅方法相比，这种架构可提供卓越的开关性能，拥有高达150V/ns的开关速度。此外，这种集成驱动器还可以保护GaN器件免受过电流、短路、欠压和过热的影响。

机器人的应用已经从制造业扩展到消费、医疗，甚至是自动驾驶汽车等行业，接下来，我们将看到机器人和电机控制在新的创新领域的更多应用机会。斯坦福大学的研究人员近期发明了一种增强电机性能的方法，即通过一种新型致动器，使得电机更有效地进行动态运动。有了更高效的电机，机器人将走得更远，完成更多的任务，一个机器人甚至可以运行一整天，而不是只运行一两个小时就需要充电，未来的机器人将有更多的应用场景被挖掘出来。

根据Allied market research的预测和分析，2019年全球机器人技术市场规模约为627.5亿美元，预计到2027年将达到1893.6亿美元，2020年至2027年的复合年增长率为13.5%。

在医疗行业，为了使手术机器人正常工作，必须借助先进的、可精密运动的电机驱动和控制方案才能完成复杂而精准的手术操作。除了BLDC，伺服电机和步进电机因其精确的控制、高扭矩输出和快速响应能力，在下一代工业机器人中的应用将越来越多。

机器人、电机驱动和控制曾经是独立的应用领域和市场，现在，它们越来越多地交织在同一个系统中。模块化和可扩展的电机解决方案在工业机器人电机市场上越来越受欢迎，它们提供了灵活的定制选项以满足不同的应用要求。模块化电机平台可以很容易地集成到不同的机器人系统中，并根据需要进行扩展，对下一代机器人的部署具有显著的成本效益。

在工业自动化及各个行业快速应用的推动下，机器人电机市场的需求正在大幅增长。根据行业研究，2022年全球机器人电机市场规模为122.7亿美元，预计在2023~2028年期间将以22.44%的复合年增长率增长，到2028年将达到413.6亿美元。在工业界不断寻求高效率、高生产力和高安全性的带动下，配备先进电机的新一代机器人的

应用将越来越多。为了进一步拓展机器人的应用领域，除了要选择一种能优化机器人性能和效率的电机，灵活、高效且兼具成本效益的电机驱动和控制方案同样起着关键作用。