随着机器人技术的全面发展,供应商对运动控制参考设计做出了回应

随着从液压机器人到全电动机器人执行器的转变,电子元件供应商现在可以提供全面的电机控制参考设计,包括电机,MOSFET和驱动器,处理器,算法甚至电源连接器。
机器人运动系统过去需要电子控制,而液压动力和原动机“肌肉”。现在,由于电机技术(如无刷直流和步进电机),电机控制组件(从MOSFET / IGBT到其栅极驱动器),传感器技术,控制处理器和算法等方面的进步,这些系统往往可以是全电子的。他们经常使用电动机来驱动执行机构,而不是使用加压流体的活塞。
数字支持这一趋势。根据ABI Research的数据,“ 消费类机器人市场预计2015年销量将达到3300万台,总收入达到35亿美元,到2025年,出货量和收入预计都将大幅增长,ABI Research预测总出货量将增至165台万元,总收入翻两番以上,达到$ 17十亿。 “此外,由凯乐有限公司,大型机器人系统的供应商,指出” 设计师经常选择使用在需要的力有很大的差异敏感的应用的电动马达,因为他们易于维护和微调。 “
好消息是,从采购和开发的角度来看,开发全电动机器人执行器或运动控制子系统从未如此简单。电子元件供应商现在提供广泛的综合参考设计和评估板。这些工具允许工程师验证他们的设计理念,编写特定应用的代码,为电机供电,并验证他们的大部分机器人运动控制设计。
本文将介绍一些与机器人技术相关的参考设计和评估板,这些设计可以减轻设计人员为机器人系统提供快速,精确且功能强大的电机控制解决方案的挑战。参考设计和评估板有什么区别?在某种程度上,它是语义和使用的角度。参考设计是一个全面的,即用型设计,包含原理图,物料清单(BOM),电路板布局,性能数据以及提供特定功能所需的所有设备; 它往往没有用户探索或修改的灵活性。一个例子是具有规定电流额定值的特定LED负载的驱动器。
相反,评估板被设计为允许执行组件和功能,并且可以包括在最终的可运输设计中不需要的额外的测试相关电路或功能; 该软件包省略了布局和BOM信息,但仍然可以作为完整设计的一个主要起点。现实情况是,有一些供应商提供的产品只适合作为参考设计,有些仅供评估,而另外一些则具有一定的属性。

系统组件:动力处理和智能

典型的电机控制系统参考设计(图1)由以下元件组成:
1.具有用户界面的基于PC的电机控制算法,可定制到所需的性能目标和行为;
2.一个驱动器/接口板(可能有其他名称)向MOSFET / IGBT驱动器提供低电平数字控制信号; 这可能通过各种接口(USB,SPI,I 2 C)连接到PC ;
3. MOSFET / IGBT驱动器,提供隔离信号来打开和关闭MOSFET / IGBT功率开关,是低压电子器件与高压/功率MOSFET之间的接口;
4.切换和控制传送到电机绕组的功率的MOSFET / IGBT;
5.电机本身当然是无刷直流无刷直流(BLDC)或步进电机,有时会使用交流电机,但现在在低中功率范围内,直流电机更常见,而交流电则用于较高功率的工业应用中。
6. 在某些控制设计中需要可选的反馈传感器(编码器或霍尔效应等)及其接口电路,以便系统可以确定电机的实际位置(以及速度和加速度),如果应用程序需要更新回到控制器。
图1
图1:处理器及其算法与电机之间的路径 - 如果需要,还包括后面的几个关键功能模块,每个模块都具有不断增加的功率和电压水平。(来源:作者)

每个需要的工具包

这些全范围的参考设计包括电机驱动器,接口电路,基于PC的电机控制算法和开发工具,甚至包括为MOSFET和电机以及电机本身供电的电缆和连接器。原则上,它们的电路和布局可以“按现状”用于最终设计,或者只需稍作修改。
评估板不够全面,包括一个或多个电路板,用于实现与PC连接和驱动算法,或者为更高功率的电路或电机接口提供驱动。它们是构建目标系统的基石,在某些情况下可以用于目标系统。
全系列评估套件的一个例子是ADI公司的AD-FMCMOTCON2-EBZ(图2),这是一款用于三相永磁同步(PMSM),BLDC,步进电机和感应电机的完整高性能伺服系统在20A时高达48V。它支持电机控制算法的快速建模和实现。
图2
图2: ADI公司的AD-FMCMOTCON2-EBZ的三块电路板:顶部是正在控制的BLDC电机负载和AD-DYNO2-EBZ功率计电机; 下面是驱动板; 左侧是控制器板。(来源:Analog Devices)
该套件由两个电路板和软件工具组成。由于许多机器人和运动控制应用需要至少两个电机来支持XY运动,因此该套件支持两个由独立电源供电的独立电机,因此一个电源的瞬变电压不会互相干扰。
驱动板具有高频输出级,采用ADI源隔离栅极驱动器。电流和电压测量也使用隔离的模数转换器(ADC),因此可以消除接地回路,安全问题以及非隔离读数的相关问题。虽然它支持基于传感器的反馈,但它也可以通过反电动势零交叉检测模式用于PMSM或BLDC电机的无传感器控制。通过过电流和反向电压保护,保持在安全操作区域(SOA)内的能力得到增强。当使用可用的QDESYS电机控制IP和EtherCAT设计时,用户可以将面向场控制器(FOC)算法作为一个高度优化的IP集成到FPGA项目中(图3)。
图3
图3:在QDESYS电机控制IP和EtherCAT设计开发工具集中使用面向场的控制算法和PWM电机控制可以设置关键参数并仔细检查性能。(来源:Analog Devices,Inc.)
作为可选功能,ADI公司提供AD-DYNO2-EBZ测功机来扩展驱动系统。这个动态可调负载系统用于测试实时电机控制性能。测功机包括两个直接连接的直流无刷电机:一个用作负载,由其自己的嵌入式控制系统控制,另一个是开发工作的主电机,由AD-FMCMOTCON2-EBZ FMC板。
这种高抽象级别的命令减少了主端处理器的负载。位置控制器可以配置不同的电机类型,定位范围和速度,加速度,减速度,保持电流,安全位置等参数。该模块可以被编程来检测和作用于转子的机械阻塞。它支持1/2,1 / 4,1 / 8和1/16步进微步,可编程峰值电流高达800mA,采用20KHz PWM电流控制,并可自动选择快衰减模式。该配置允许多达32个节点地址,功率驱动器具有斜率控制,可编程PWM频率和抖动(避免共振所需)。

不要忽略连接器

当设计包含电机时,低电流,低电压连接器的通常选择通常不适用于MOSFET / IGBT驱动板和电机本身之间的互连。有几个原因:
  • 电机电流和电压可能高于PC板上的典型值(低单位数字);
  • 在运行过程中电机连接经常受到振动,以及由于操作条件和操作不当造成的各种机械滥用;
  • 为了测试目的,经常需要频繁地连接/断开电机,以测试不同额定值的不同电机,或者在调试阶段评估电气和机械问题;
  • 连接器的牢固键控对于避免错误连接至关重要,这在高电压和高电流下尤其麻烦;
  • 连接器还必须提供全面保护,防止意外接触维修人员,尤其是在电压超过安全极限的情况下。这根据应用和国家而不同,但一般在50V左右;
  • 用于低电压电子信号的紧间距,高密度连接器可能不符合UL,CSA,CE或其他管理机构规定的漏电和间隙距离要求。
幸运的是,易于使用,易于终止的连接器非常适合电机的高电压和高电流,以克服所列出的问题,但不会限制设计人员的封装灵活性或设计选项。
例如,Molex FiT连接器可在线对线,线对板和板对板配置中提供电力输送和配电(图4)。这种Molex系列连接器由五个部件组成,间距从2.50毫米到5.70毫米不等,每个都有不同的额定功率。所述纳米拟合是最小的部件,支承20至26 AWG导线和处理多达在图5A到250V。最大的成员是Mega-Fit,支持12到16 AWG电线,在23A时额定电压为600V。
图4
图4:必须选择MOSFET / IGBT功率驱动器级和电机之间的连接器,以处理与传输功率相关的更高的电压和电流。Molex FiT连接器系列产品有五种尺寸和容量可供选择,这些功能专为在更高层次上提供可靠,安全和认可的互连而设计。(来源:Molex)
家族中的所有连接器具有相同的形状,但物理尺寸不同。他们是极化和键控,包括积极的锁定,以避免意外断开,并旨在防止接触触摸。为了增强可靠性并减少接触压降和功率损耗,每个互连具有多个金属对金属接触点。

结论

机器人系统的参考设计和评估板比以往任何时候都更为重要,以满足复杂和雄心勃勃的应用程序的上市时间目标。随着运动控制和机器人技术日益成为对气动驱动原动机不太需要的全电/电子功能,IC供应商能够介入并支持系统和子系统层面的从头至尾的硬件和软件设计。因此,在这些领域进行项目的工程师有很多选择来评估他们的运动控制问题和解决途径。

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