電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，可用于移動(dòng)鉸接系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)必須能夠在低速時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)大的扭矩，并且在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都非常高效。它還需要一個(gè)簡(jiǎn)單的控制和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。盡管無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 需要更復(fù)雜的控制，但由于其更好的性能，它們正在機(jī)器人應(yīng)用中找到家。

由于生產(chǎn)成本較低，BLDC 電機(jī)越來(lái)越受歡迎。尤其是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)和電動(dòng)自行車(chē)的到來(lái)，導(dǎo)致了 BLDC 電機(jī)的廣泛采用，這些電機(jī)以前僅用于高端工業(yè)應(yīng)用。

在過(guò)去的二十年里，開(kāi)發(fā)這些 BLDC 電機(jī)應(yīng)用的工程師發(fā)生了變化，電機(jī)控制也發(fā)生了變化。今天的工程師更喜歡專(zhuān)注于使他們的設(shè)備設(shè)計(jì)獨(dú)特的原因，而不是構(gòu)建復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)。工程師們專(zhuān)注于更時(shí)尚的設(shè)計(jì)，具有最小的外形尺寸、直觀的用戶界面、實(shí)時(shí)功能、功能安全和云中的數(shù)據(jù)共享。

控制問(wèn)題

機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)重要部分是電機(jī)控制器。可以使用幾種控制策略來(lái)操作機(jī)器人操縱器或機(jī)械臂。所使用的技術(shù)及其實(shí)施方式會(huì)對(duì)機(jī)械手的性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，從而影響可行應(yīng)用的范圍。另一方面，機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)影響可以使用的控制方案的類(lèi)型。

雖然機(jī)器人的工作通常是在操作空間中描述的，但控制動(dòng)作是根據(jù)機(jī)器人各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)在關(guān)節(jié)空間中實(shí)現(xiàn)的。因此，研究?jī)煞N類(lèi)型的控制方案是合理的：一種用于聯(lián)合空間，另一種用于操作空間。控制器結(jié)構(gòu)在這兩種方案中都是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，以利用反饋在模型上的潛在未知影響的彈性和最小化干擾影響（如噪聲）方面的好處。

關(guān)節(jié)空間控制問(wèn)題需要解決機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，以將運(yùn)動(dòng)要求從操作空間轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間。然后創(chuàng)建控制方案，以便機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以遵循預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。相比之下，操作空間中的控制需要更高水平的計(jì)算復(fù)雜性，其中運(yùn)動(dòng)學(xué)反演被結(jié)合到閉環(huán)系統(tǒng)中。

需要使用的操作系統(tǒng)以及基于電機(jī)和應(yīng)用需求的各種方法和電路來(lái)控制電機(jī)的速度和方向。電機(jī)控制器的目標(biāo)是能夠手動(dòng)或自動(dòng)操作電機(jī)（啟停、反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)和電壓過(guò)載保護(hù)）。

傳統(tǒng)電機(jī)具有 BLDC 電機(jī)所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)。BLDC 和交流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī) (PMSM) 可以在緊湊的外形尺寸中提供所需的精度和高效率。此外，有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)易于連接和操作，不像 BLDC 和 PMSM，后者更復(fù)雜。

例如，BLDC 使用諸如無(wú)傳感器矢量控制（也稱為磁場(chǎng)定向控制或 FOC）等技術(shù)，這些技術(shù)提供了良好的效率和消除傳感器硬件的優(yōu)勢(shì)，從而降低了成本并提高了可靠性。設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題是無(wú)傳感器矢量控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜，因此使用它會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)時(shí)間、增加成本并可能超過(guò)上市時(shí)間的預(yù)測(cè)。

為了解決這個(gè)難題，設(shè)計(jì)人員可以求助于開(kāi)發(fā)平臺(tái)，例如德州儀器公司的DRV8301-69M-KIT引擎套件，其中包括一個(gè)集成了降壓穩(wěn)壓器和分流放大器的 DRV8301 三相柵極驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè) InstaSPIN-FOC和支持 InstaSPIN-MOTION 的 Piccolo TMS320F28069M 微控制器 (MCU) 板。

盡管設(shè)計(jì)復(fù)雜，但 BLDC 的主要優(yōu)勢(shì)來(lái)自于其結(jié)構(gòu)特性。它們的效率通常比有刷解決方案高 15% 到 20%，由于采用無(wú)刷設(shè)計(jì)，因此需要較少的維護(hù)，并且在所有額定速度下都能提供平坦的扭矩曲線。在許多應(yīng)用中，由于最近半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、永磁體的改進(jìn)以及對(duì)更高效率的需求增加，有刷電機(jī)已被 BLDC 取代。

直流驅(qū)動(dòng)器

BLDC 使用電子換向，可實(shí)現(xiàn)更好的電流切換。它導(dǎo)致更大的扭矩、在寬范圍內(nèi)的精確速度控制以及改進(jìn)的電機(jī)性能。在大多數(shù) BLDC 電機(jī)控制器中都可以找到半橋或半 H 橋電路。這種電路設(shè)計(jì)與 H 橋不同，只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)：一個(gè)高側(cè)晶體管和一個(gè)低側(cè)晶體管。

提供單相、兩相和三相 BLDC 電機(jī)。三相類(lèi)型是最流行的。電機(jī)定子的繞組數(shù)量與相數(shù)相關(guān)，但轉(zhuǎn)子磁極可能是任意數(shù)量的對(duì)，具體取決于應(yīng)用。

BLDC 控制的一個(gè)基本組件是驅(qū)動(dòng)器。它是一種電壓輸出功率放大器，用于驅(qū)動(dòng)半橋電路的大電流高側(cè)和低側(cè) IGBT 柵極。

一個(gè)例子是 Power Integrations 400-W BRD1167 和 BRD1267BridgeSwitchIC，它們提供 1.33 A 的連續(xù) RMS 相電流和 11.5 A 的 FREDFET 直流輸出電流。它們是自供電的，采用 InSOP-24C 表面貼裝封裝，就像 BridgeSwitch 家族的其他成員一樣。這些器件支持所有主要的 MCU 和電機(jī)控制方法，可以運(yùn)行單相或多相高壓同步或異步電機(jī)。所有 BridgeSwitch IC 都包含過(guò)流、過(guò)壓/欠壓和過(guò)熱保護(hù)，簡(jiǎn)化了 IEC 60335 和 IEC 60730 認(rèn)證。

另一個(gè)例子是 Monolithic Power Systems Inc. 的MP6612D可逆電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它使用 H 橋。它可以操作直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)繞組和其他負(fù)載。四個(gè) N 溝道功率 MOSFET 和一個(gè)內(nèi)部電荷泵在 H 橋中產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。DIR 和 ENBL 引腳用于控制輸出。

MP6612D 框圖（來(lái)源：Monolithic Power Systems Inc.）

寬帶隙半導(dǎo)體

新興電子應(yīng)用需要能夠從越來(lái)越緊湊的平臺(tái)中提取更高性能的電機(jī)設(shè)計(jì)。依靠經(jīng)典硅 MOSFET 和 IGBT 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路正在努力滿足新標(biāo)準(zhǔn)。隨著硅技術(shù)接近功率密度、擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越難以控制功率損耗。這些限制的主要后果是在高工作溫度和開(kāi)關(guān)速率下效率降低和額外的性能問(wèn)題。

諸如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件之類(lèi)的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體用于電機(jī)控制，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁斓拈_(kāi)關(guān)，這對(duì)于在高基頻下運(yùn)行并需要良好濾波紋波的電機(jī)來(lái)說(shuō)可能是必需的。然而，WBG 器件實(shí)現(xiàn)的高開(kāi)關(guān)速度在提供更高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生非常快的電壓變化，從而導(dǎo)致高電壓變化率 (dV/dt)，從而對(duì)電機(jī)繞組的絕緣造成壓力。因此，電力電子應(yīng)用有兩個(gè)主要目標(biāo)：管理熱問(wèn)題和減小系統(tǒng)尺寸。

德州儀器 (Texas Instruments) 等制造商開(kāi)發(fā)了 GaN 集成功率器件，有助于從 WBG 器件中獲得最佳性能。例如，LMG5200提供了一個(gè)帶有增強(qiáng)型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級(jí)。該器件由兩個(gè) GaN FET 組成，由一個(gè)采用半橋布置的高頻 GaN FET 驅(qū)動(dòng)器供電。

TI 提供 TIDA-00909，這是一種用于高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)，該參考設(shè)計(jì)采用三相逆變器和三個(gè) LMG5200，以簡(jiǎn)化該器件的設(shè)計(jì)。對(duì)于簡(jiǎn)單的性能評(píng)估，TIDA-00909 帶有一個(gè)合適的接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開(kāi)發(fā)套件。

LMG5200 框圖（來(lái)源：德州儀器公司）

另一個(gè)例子是 EPC 的EPC9146電源板，它采用 EPC 專(zhuān)有的 GaN IC 技術(shù)將 EPC2152 單片 ePower Stage 與集成柵極驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起，并提供 80-V 的最大器件電壓和 15-A 的最大輸出電流。憑借高達(dá) 3 MHz 的 PWM 頻率，它可以滿載運(yùn)行。EPC9146 提供適用于電源驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的功能，例如具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的單片功率級(jí)、用于管理電源的穩(wěn)壓輔助電源軌、電壓和溫度感應(yīng)、精確電流感應(yīng)和保護(hù)功能。

EPC9146可與EPC9147系列配套板配對(duì)，讓用戶直接通過(guò)主流MCU板控制電源板，利用現(xiàn)有資源進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)。

機(jī)器人的復(fù)雜性需要正確的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)正確執(zhí)行與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的功能。WBG 半導(dǎo)體用于電機(jī)控制，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S更快的切換，這對(duì)于在高基頻下運(yùn)行的電機(jī)是必需的。工程師們更愿意專(zhuān)注于讓他們的小工具設(shè)計(jì)與眾不同的地方，而不是創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅