機器人的運作離不開點擊的支撐，機器人系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成：機械，執(zhí)行器，測量和控制。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，對關(guān)節(jié)運動控制的低速和高扭矩要求無法有效利用伺服電機的機械特性，相反，在最佳工作條件下卻會產(chǎn)生高速和低扭矩。因此，驅(qū)動單元的功能是確保電動機的速度和轉(zhuǎn)矩與負(fù)載兼容，并使機械轉(zhuǎn)矩從一個傳遞到另一個。傳動組件還可以通過將電機放置在機器人基座上來減輕機械結(jié)構(gòu)，從而改善靜態(tài)和動態(tài)性能。
關(guān)節(jié)運動委托給允許機械結(jié)構(gòu)進行所需運動的電動機。在三種主要類型中，永磁體，直流(有刷)和電子換向(無刷)電動機中，最能優(yōu)化低慣性和高定位精度要求的一種是無刷直流電動機，即BLDC。與使用機械開關(guān)的有刷電動機相比，BLDC沒有機械開關(guān)，在有刷電動機中，帶電刷的旋轉(zhuǎn)電樞用于進行電氣連接。
活動部件的減少使無刷電機的使用壽命更長，僅受球軸承的磨損限制。此外，繞組改善了散熱和過載能力，與其他直流解決方案相比，效率更高。由于沒有電刷，因此BLDC還具有出色的耐用性和低噪音特性。結(jié)構(gòu)主要有兩種：表面永磁體(SPM)和內(nèi)部永磁體(IPM)。 SPM電機的磁鐵附著在轉(zhuǎn)子表面的外部。相反，IPM電動機將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子本身。
直流電動機和驅(qū)動器
BLDC提供高效率，但最重要的是，在許多應(yīng)用中都使用了出色的扭矩和速度值。他們使用帶有旋轉(zhuǎn)電樞的固定磁鐵，該電樞將各個部分結(jié)合在一起以提供電子開關(guān)。BLDC的設(shè)計旨在優(yōu)化代表電動機旋轉(zhuǎn)力的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩與磁體和線圈繞組有關(guān)。磁鐵中的極對數(shù)越多，電動機轉(zhuǎn)矩越大。
一個例子是Portescap的Ultra EC平臺，該平臺由三個系列組成-ECS，ECT和ECP。根據(jù)扭矩和速度要求，這些無刷微型電動機系列可以用于多種應(yīng)用中。獲得專利的U形線圈可最大程度地減少鐵損，從而提高效率，并降低運行溫度(圖1)。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)與Maxon(Maxon)共同開發(fā)了一種新套件，以加快機器人和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計。 EVALKIT-ROBOT-1套件可在機器人應(yīng)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，其中內(nèi)置有ST功率晶體管，可隨時連接到電動機。 STSPIN32F0A包含關(guān)鍵的電機控制電路，包括STM32F031C6微控制器和緊湊的7×7毫米VFQFPN封裝的三相逆變器驅(qū)動器。BLDC電機效率很高，但是要滿足日益嚴(yán)格的要求的壓力不僅要求公司改善電機的結(jié)構(gòu)，而且還需要改善驅(qū)動器。特別是，他們正在努力減少總體能源消耗并優(yōu)化熱管理。
在許多情況下，這些設(shè)計都集成了集成驅(qū)動器，以最大程度地減少所需的外部組件數(shù)量，并集成了允許高度集成的片上系統(tǒng)解決方案。好處包括節(jié)省空間和能源，提高整體系統(tǒng)可靠性以及降低成本。因為BLDC沒有機械地切換電流方向的結(jié)構(gòu)，所以必須以電子方式完成。波形可分為兩種主要類型：梯形和正弦形。由于溫度的限制和成本，在某些情況下，可能不使用傳感器而根據(jù)三相電流或感應(yīng)電壓來估算轉(zhuǎn)子(磁體)的位置。
駕駛員必須確保正確的電動機控制，以便他們可以在應(yīng)用中相應(yīng)地控制速度和方向。現(xiàn)代微控制器(MCU)非常適合提供開發(fā)用于DC(和AC)電動機的高效控制回路所需的性能和計算功能水平。許多MCU支持信號處理功能，這些功能允許使用定位數(shù)據(jù)實時處理復(fù)雜的算法。這很重要，因為越來越多的應(yīng)用程序正在嘗試消除提供定位數(shù)據(jù)的傳感器。許多MCU具有專門為電機控制應(yīng)用設(shè)計的外設(shè)。
例如，瑞薩電子(Renesas Electronics)的RL78 / G14微控制器平衡了電流消耗水平與低電流消耗水平(CPU在運行時為66μ/ MHz，在待機或STOP模式下為240 nA)，從而提供了高計算性能51.2 DMIPS(32 MHz)。集成的安全功能支持家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn)IEC / UL 60730。
在BLDC電機中，驅(qū)動器也變得更加復(fù)雜。速度和轉(zhuǎn)矩由瞬態(tài)的開/關(guān)持續(xù)時間比率控制;通常，這采用用于驅(qū)動繞組的PWM信號的形式。使用單相，兩相和三相電動機會使這種情況更加復(fù)雜。如今，許多集成設(shè)備都被用作驅(qū)動階段。通常，它們包括用于驅(qū)動外部功率MOSFET的柵極驅(qū)動器，該功率MOSFET用于激勵多達(dá)三個電機的三相。電機需要大量電流，而控制器電路則以低電流信號運行。因此，電動機驅(qū)動器的功能是獲取低電流控制信號，然后將其轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動電動機的高電流信號。
Infineon Technologies AG提供各種用于控制變速驅(qū)動器的集成產(chǎn)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，它們還采用了該公司久經(jīng)考驗的電機控制引擎(MCE)算法，該算法從控制協(xié)議開發(fā)過程中消除了軟件編碼。
另一個節(jié)省空間的是德州儀器(TI)的智能門驅(qū)動器。這些驅(qū)動器集成了無源組件，以減少電路板尺寸，組件數(shù)量，復(fù)雜性和設(shè)計成本。它們還使設(shè)計人員能夠優(yōu)化開關(guān)和電磁干擾(EMI)性能。TI在其廣泛的驅(qū)動器產(chǎn)品組合中為DRV8313提供了三個可單獨控制的半H橋驅(qū)動器。該設(shè)備旨在驅(qū)動三相無刷直流電動機，盡管它也可以用于驅(qū)動螺線管或其他負(fù)載。集成的比較器允許構(gòu)建限流電路或其他功能。
另一個例子是東芝電子設(shè)備和存儲公司的具有閉環(huán)速度控制功能的TC78B025FTG無刷三相電動機驅(qū)動器IC。該設(shè)備使用4.5 V至16 V電壓范圍的電源供電，并提供正弦驅(qū)動150°切換。 0.2Ω(典型值)的低導(dǎo)通電阻降低了IC在工作期間的自發(fā)熱，從而將支持范圍擴大到高驅(qū)動電流。以上就是機器人的運作原理，希望在大家沒有思路的時候，看完有所啟發(fā)。