隨著機(jī)器人制動(dòng)器從液壓型向全電氣化的轉(zhuǎn)變，電子零件供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)能夠提供全部的電機(jī)控制參考零件，例如電動(dòng)機(jī)、MOSFET晶體管、驅(qū)動(dòng)器、處理器、控制算法以及電源連接器。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常是采用電子器件實(shí)現(xiàn)控制、液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力或者說是"機(jī)器人的肌肉"。現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)技術(shù)取得了先進(jìn)的發(fā)展（如無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)），電動(dòng)機(jī)控制零件（從MOSFET/IGBT到門驅(qū)動(dòng)器）、傳感器技術(shù)、控制處理器和算法，全部都可以采用電氣化方式來實(shí)現(xiàn)。比如我們可以采用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，取代傳統(tǒng)的液壓活塞方式。

大多數(shù)人都支持這種趨勢，根據(jù)ABI研究協(xié)會(huì)的調(diào)查，"消費(fèi)機(jī)器人市場到2015年會(huì)實(shí)現(xiàn)3300萬的出貨量，總體市場份額會(huì)達(dá)到35億美元。2025年前，出貨量和市場份額都會(huì)顯著增長，ABI研究協(xié)會(huì)預(yù)測出貨量會(huì)達(dá)到165百萬套，總的市場份額也會(huì)在翻四倍多，達(dá)到170億美元。"更進(jìn)一步講，作為大型機(jī)器人系統(tǒng)供應(yīng)商的Keller HCW GmbH指出"工程師更愿意在一些敏感的應(yīng)用中使用電動(dòng)機(jī)，不僅滿足更寬泛的要求而且更容易維護(hù)和調(diào)試。"

有一個(gè)好消息就是從采購和開發(fā)的角度來看，開發(fā)一個(gè)全電氣化的機(jī)器人制動(dòng)器或者運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)再簡單不過了。電子零件供應(yīng)商提供了非常多的選擇和開發(fā)板卡。這些工具能夠幫助工程師驗(yàn)證他們的概念設(shè)計(jì)、完成具體的應(yīng)用代碼、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大部分設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。

這篇文章介紹了一些機(jī)器人相關(guān)的參考設(shè)計(jì)和開發(fā)板卡，解決了工程師所面臨的一些挑戰(zhàn)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)提供快速、精確和強(qiáng)大的電機(jī)控制解決方案。參考設(shè)計(jì)和評(píng)估板卡之間又有哪些不同呢？從某種程度上看，只是語義和使用角度的不同。一個(gè)參考設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)全面的隨時(shí)可以應(yīng)用的設(shè)計(jì)，具備原理圖、材料清單（BOM）、PCB、性能測試數(shù)據(jù)、以及其它具體功能方面所要求的，對(duì)于用戶來講研究或者修改方面靈活性不高。舉個(gè)例子就是某個(gè)LED自定義電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)。

正好與其相反，評(píng)估板卡的設(shè)計(jì)就是用來測試某些功能或者組件的，可能會(huì)包含一些額外的測試相關(guān)電路或者功能模塊，這些可能在最終的設(shè)計(jì)中是不需要的。這些工具包會(huì)省去PCB和材料清單相關(guān)信息，但是我們?nèi)匀豢梢阅眠^來用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)實(shí)的情況是供應(yīng)商提供的資料一些只是作為參考設(shè)計(jì)，一些只是用于評(píng)估開發(fā)，而且很多都具有一些交叉屬性。

系統(tǒng)組件：電源處理和智能化

一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)（如圖1）包括如下組件：

1. PC端實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制算法以及用戶接口，對(duì)于性能和功能可以自定義開發(fā)。 2. 驅(qū)動(dòng)/接口板卡(或者其他名字)能夠?yàn)镸OSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器提供底層的控制信號(hào)，我們可以借助各種類型的接口(比如USB、SPI、I2C等協(xié)議接口)與PC端連接。 3. MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器能夠提供獨(dú)立信號(hào)用來開啟和關(guān)閉MOSFET/IGBT器件的電源，可以說這是實(shí)現(xiàn)低壓電子控制高壓設(shè)備之間的接口。 4. MOSFET/IGBT能夠提供切換和控制電動(dòng)機(jī)繞組的電源。 5. 就電動(dòng)機(jī)而言，通常是無刷直流或者步進(jìn)電機(jī)，有時(shí)候也可能采用交流電機(jī)，直流電機(jī)通常多用于中低端電源應(yīng)用場景，在高電壓和工業(yè)級(jí)應(yīng)用則多采用交流電機(jī)。 6. 可選的反饋傳感器(編碼器或者霍爾效應(yīng)等等)以及接口電路，在一些控制型設(shè)計(jì)中是必需的，這樣系統(tǒng)才能判定電機(jī)的實(shí)際情況(轉(zhuǎn)速、加速度等)，進(jìn)而控制器對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)更新矯正。

圖1 上圖展示的是處理器和算法、電動(dòng)機(jī)以及反饋環(huán)節(jié)，我們還可以增加其他關(guān)鍵的功能模塊，每一級(jí)的功耗和電壓一次提升

一款通用的開發(fā)套件

這款全面的參考設(shè)計(jì)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、接口電路、PC端的電機(jī)控制算法和開發(fā)工具，甚至提供了電纜和連接器，實(shí)現(xiàn)MOSFET和電動(dòng)機(jī)的供電，有時(shí)候也會(huì)提供電動(dòng)機(jī)。這些電路和布局設(shè)計(jì)可以用于最終設(shè)計(jì)或者輕微修改即可。

評(píng)估板卡的設(shè)計(jì)不是很全面，通常需要多塊電路板的組合才能實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的連接，這樣PC上的驅(qū)動(dòng)算法才能夠?yàn)楦邏弘娐坊蛘唠姍C(jī)接口提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。它們屬于我們臨時(shí)構(gòu)建的模塊，可用于后續(xù)的最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

介紹一款開發(fā)套件——亞諾德(ADI)半導(dǎo)體公司推出的AD-FMCMOTCON2-EBZ(見圖2)開發(fā)板卡，它是一款全面的高性能的伺服系統(tǒng)，支持三相永磁同步無刷直流電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，功率支持48V20A。能幫助工程師實(shí)現(xiàn)快速建模以及電機(jī)控制算法的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

圖2 亞諾德(ADI)半導(dǎo)體公司推出的AD-FMCMOTCON2-EBZ開發(fā)套件：上面是無刷直流電機(jī)負(fù)載，以及AD-DYNO2-EBZ功率測試電機(jī)，下面是驅(qū)動(dòng)板卡，左面的是控制器板卡(來源：ADI公司)

這款開發(fā)套件包括兩塊板卡和軟件工具，通常很多機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都需要至少兩個(gè)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)X和Y方向的移動(dòng)，這個(gè)套件支持兩個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)，獨(dú)立供電操作，所以兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的電壓互不干擾。

驅(qū)動(dòng)板卡集成了ADI出品的絕緣柵驅(qū)動(dòng)器支持高頻信號(hào)輸出，電流和電壓測量同樣使用隔離的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),因此由于非絕緣導(dǎo)致的安全問題能夠有效的避免，盡管我們可以采用傳感器的反饋，但是也支持無傳感器的控制模式或者無刷直流電動(dòng)機(jī)。我們?cè)O(shè)置了過電流和反向電壓保護(hù)，當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用QDESYS電動(dòng)機(jī)控制IP核和以太網(wǎng)模塊時(shí)，用戶可以實(shí)現(xiàn)矢量控制算法(FOC)，集成到FPGA項(xiàng)目中并進(jìn)行一定的優(yōu)化(如圖3)。

圖3 在QDESYS電機(jī)控制IP和以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)矢量控制算法和PWM電動(dòng)機(jī)控制操作，能夠設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)以及性能檢查(來源：ADI)

還有一個(gè)特性就是AD-DYNO2-EBZ支持功率監(jiān)測擴(kuò)展了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的負(fù)載系統(tǒng)用于測試實(shí)時(shí)電機(jī)的控制性能。功率測試計(jì)包括兩個(gè)無刷直流電機(jī)，并且是直接耦合的：一個(gè)作為負(fù)載并且有自己的嵌入式控制系統(tǒng)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)則主要用于用戶的自定義功能開發(fā)，采用AD-FMCMOTCON2-EBZ FMC板卡實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

采用高級(jí)抽象命令實(shí)際上降低了處理器的負(fù)載。位置控制器是可配置的，支持不同類型的電動(dòng)機(jī)、位置移動(dòng)范圍以及其它參數(shù)，如數(shù)據(jù)、加速度、減速、保持電流和安全位置。這個(gè)模塊可以重新編程實(shí)現(xiàn)檢測和作用于轉(zhuǎn)子的機(jī)械阻塞效應(yīng)。它支持步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，如1/2, 1/4, 1/8和1/16細(xì)分模式，可編程的峰值電流最高達(dá)800mA以及20KHz PWM方波調(diào)節(jié)信號(hào)，支持快慢的衰減模式自動(dòng)化選擇。配置方式還支持32個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，斜率控制、可控的PWM信號(hào)頻率和抖動(dòng)(避免共振)。

不要忽略掉連接器

當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)中包含電動(dòng)機(jī)，一般我們選擇的低電流和低電壓的連接器并不適合MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)板卡和電動(dòng)機(jī)之間的互連。主要有以下幾個(gè)原因：

電動(dòng)機(jī)的電流和電壓可能比PC主板的典型電壓值高一些；

電動(dòng)機(jī)連接在操作過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)，主要是由于操作條件和處理不當(dāng)引發(fā)的不同類型的機(jī)械震動(dòng)問題；

當(dāng)我們?cè)谡{(diào)試階段需要測試不同的電動(dòng)機(jī)、不同的速率或者評(píng)估電氣或者機(jī)械方面的技術(shù)問題，這就需要經(jīng)常連接/斷開電動(dòng)機(jī)；

固定鍵控連接器對(duì)于避免誤連接至關(guān)重要，但是在高壓和高電流情況下有很多麻煩；

連接器必須能夠提供全面的保護(hù)，如由于疏忽造成的誤接觸，尤其是當(dāng)電壓超出安全限制的情況。這與應(yīng)用場景和不同的國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，但是通常情況下是50V；

緊湊高密度的主要用于低壓電子信號(hào)，可能不符合UL、CSA、CE或者其他監(jiān)管部門定義的間隙要求。

幸運(yùn)的是又一款易用易斷開的連接器，非常適合電動(dòng)機(jī)的高壓和高電流要求，能夠有效的避免上面所提出的技術(shù)問題，而且不會(huì)限制工程師設(shè)計(jì)的靈活性。

舉個(gè)例子，Molex FiT連接器不僅能夠輸送電源，而且支持線對(duì)線、點(diǎn)對(duì)板卡、板卡對(duì)板卡之間的連接（見圖4）。Molex系列連接器主要有五種產(chǎn)品，插針間距從2.50mm到5.70mm，每種都具有不同的電源等級(jí)。Nano-Fit是最小型的一款，支持20——26AWG規(guī)格的線纜以及250V5A。Mega-Fit是最大型的一款，支持12——16AWG規(guī)格的線纜以及600V23A的電力傳輸。

圖4 MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)之間的連接器必須能夠處理高壓和大電流情況，滿足電力的傳輸。Molex FiT系列連接器有五種不同的尺寸，能夠提供可靠安全高性能的連接（來源：Molex）

該系列的所有連接器都是相同的形狀但是物理尺寸是不同的，都具有卡扣避免異常斷開連接，而且能夠有效的避免人員的誤觸。為了提升可靠性和降低壓降和功率損失，每根連接管腳都具備多個(gè)點(diǎn)的金屬對(duì)金屬的接觸。

結(jié)論

參考設(shè)計(jì)和評(píng)估板卡對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越重要，這樣可以加快產(chǎn)品開發(fā)，縮短產(chǎn)品面市的時(shí)間，尤其對(duì)于一些具有戰(zhàn)略意義的應(yīng)用來說非常重要。隨著運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人系統(tǒng)逐漸全部采用電氣化/電子方式來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于那些液壓器的需求就會(huì)越來越少，IC器件供應(yīng)商能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供全面的硬件和軟件設(shè)計(jì)支持。也就是說工程師從事這方面的工程設(shè)計(jì)具有更多的選擇性，采用最有的方式來解決開發(fā)過程中遇到的運(yùn)動(dòng)控制問題，最好拿出最優(yōu)的解決方案。