От подпомагане при операция до повдигане на хиляди килограми в производствени предприятия, роботите улесняват много аспекти от живота ни. Влиянието на роботите върху съвременния свят е очевидно, но замисляли ли сте се как роботизираните системи постигат такова прецизно, бързо и мощно движение? Ако отговорът е чрез мотора, поздравления!
Роботите са склонни да имитират операции, които биха се извършвали от хора; като такива, тяхната функционалност се състои предимно от регулиране на позицията и ориентацията чрез някаква форма на изместване или въртене, обикновено чрез двигатели.
Докато традиционните приложения за роботика се фокусират основно върху механично задействане (като манипулиране на ръка или завъртане на конвейерна лента), съвременните приложения са много по-прости, като въртене на камерата или прецизно механично управление на лъча за лидарни сензори. Може да се изненадате да знаете, че най-основните приложения на електродвигателите са вентилатори и помпи, но те всъщност играят важна роля в охлаждането и хидравликата.
Щракнете върху изображението, за да преминете към видеото: Научете как TI използва иновативни полупроводници, за да подобри работата на робота
Например, безчетков DC (BLDC) двигател в съединение на роботизирана ръка (показано на фигура 1) обикновено се състои от въртящ се ротор и неподвижен статор. Прилагането на електрически сигнал за захранване на намотките на бобината на статора създава магнитно поле, което генерира магнитна сила, която движи ротора, който от своя страна завърта ставите в роботизираната ръка. Чрез рационално използване на електронни сигнали, роботизираната ръка не само ще се движи, но и ще се движи с определена скорост, точност на позицията и въртящ момент.
Фигура 1: Изглед в напречно сечение на структурата на BLDC мотор
Как електрическите двигатели ще захранват следващото поколение роботи
В допълнение към прецизните и мощни задачи, включващи движение, напредъкът в полупроводниците за управление на мотори като микроконтролери (MCU) и интегрирани двигателни драйвери оптимизира как се движат роботите и постигането на тази цел е изправено пред 4 основни предизвикателства.
Предизвикателство 1: Повишаване на изискванията за безопасност за сътрудничество човек-машина
В миналото хората и роботите трябваше да бъдат строго разделени от съображения за безопасност, често чрез поставяне на роботите в клетки. Повишената автоматизация изисква по-тясно сътрудничество и взаимодействие между човек и машина. Колаборативните роботи спомагат за подобряване на ефективността на работа, но изискват двигатели, които могат да осигурят безопасно спиране, безопасни скорости, въртящ момент и контрол на движението.
Устройства като C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU играят критична роля в подпомагането на изпълнението на изискванията за сигурност. Тези устройства са сертифицирани за функционална безопасност и могат да интегрират безопасни периферни устройства за диагностика, опростявайки дизайна до стандарта 10218 на Международната организация за стандартизация (ISO). От аналоговата страна на спектъра, драйвери за интелигентни порти като DRV8353F могат да помогнат на инженерите да постигнат целите си за безопасност с технически доклади, сертифицирани от TÜV SÜD. Този документ за поддръжка ръководи инженерите през стъпките на проектиране, необходими за постигане на безопасно изключване на въртящия момент в съответствие със стандарта IEC 61800-5-2. Независимо дали става въпрос за MCU или драйвер за порта, има определени компоненти, които могат да опростят процеса на проектиране и да позволят функционално безопасни двигателни системи.
Предизвикателство 2: Намалете теглото, опростете окабеляването и намалете разходите чрез децентрализирана моторна архитектура
Моторната електроника преминава от контролни шкафове към интегрирана директно в ставите на роботите, което помага за намаляване на теглото, опростяване на окабеляването и намаляване на системните разходи. Тази тенденция подтикна производителите на компоненти да разработят решения, които могат да интегрират повече функции в по-малки пакети с интегрални схеми. Пространствените ограничения също изискват по-висока плътност на мощността и енергийна ефективност.
FETs с галиев нитрид като LMG3422R050 имат интегрирани драйвъри, които могат да увеличат ефективността на мощността до над 99%, позволявайки на интегрираните двигатели да намалят или премахнат нуждата от радиатори. Използвайки комуникационни периферни устройства в реално време и интерфейс на абсолютен енкодер, системите, използващи MCU, като TMS320F28065, могат да генерират широчинно-импулсно модулирани сигнали с пикосекундна резолюция. Тези функции намаляват окабеляването от повече от 10 кабела на двигател до общо две шини за цялото рамо. Използването на MCU и GaN FETs в тази конфигурация позволява на дизайнерите да оптимизират кабелната свързаност чрез добавяне на Ethernet функционалност с една двойка чрез приемо-предавател на Ethernet физически слой като DP83TG721.
Предизвикателство 3: Автоматизирането на задачите за прецизно движение изисква по-голяма прецизност и точност
Миниатюризацията на продукта оказа влияние върху избора на мотор (серво, стъпков или безчетков DC мотор) за много приложения, а управлението на мотора и обратната връзка за позицията се увеличиха сложността, за да може да се постигне прецизното движение, необходимо за взаимодействие с тези малки продукти. Иновациите в полупроводниците правят възможно постигането на по-висока прецизност, необходима за миниатюризиране на продукта. Например, сензори за ток като AMC3306 имат 50µV компенсиращо напрежение и интегрирано захранване. Комбинирането на тези функции в един пакет подобрява точността на контролната верига и намалява общия размер на печатната платка.
Предизвикателство 4: Оптимизиране на енергийната ефективност за мобилни приложения, захранвани от батерии
Вместо просто да стоят неподвижни на едно място, роботите стават мобилни, помагайки да доставят пакети автономно и безопасно да изследват терена. Настоящите и бъдещите полупроводници, използвани в приложения за наблюдение, обработка и контрол в реално време, трябва да балансират висока производителност и енергийна ефективност, за да осигурят разумен живот на батерията и възможен обхват.
Постигането на висока енергийна ефективност не трябва да бъде сложно, нито изисква сложни дизайнерски подходи, използващи множество отделни компоненти. Например, един контролер на мотор като MCT8316A може ефективно да управлява малки двигатели на помпи и вентилатори чрез намаляване на броя на енергоемките компоненти в робота. Това силно интегрирано устройство включва шест полеви транзистора метал-оксид-полупроводник, които образуват полумостово захранващо стъпало за подаване на ток на двигателя, и цифрово ядро, което позволява просто стълбисто управление на двигателя без писане на код.
Каква е бъдещата перспектива за развитие на моторния контрол?
Роботите на бъдещето ще надхвърлят въображението. Те могат лесно да изпълняват задачи, които днес изглеждат невъзможни - често да работят в най-дълбоките ровове на океана или да се впускат в неизвестното на космоса. Новите дизайни вероятно ще включват все по-модерни сензори, както виждаме в момента с лидарната и ултразвуковата технология. Начинът, по който комуникираме с роботи, може дори да се промени, от кабелните роботи от миналото до по-софтуерно ориентираните решения днес. Повишената достъпност позволява по-надежден контрол на роботите чрез реч, визуално изразяване или дори само мисъл. По време на тази еволюция, тъй като технологията и приложенията на роботиката продължават да се развиват, трябва да се развиват и двигателите, необходими за задвижване на техните движения.