Engineering van precieze motorcontrols voor geavanceerde robotische systemen

Een robotische manipulator is programmeerbaar op drie of meer assen die de bewegingen van een robot specificeren, ofwel de robotarmen of het lichaam. Deze robotische manipulatoren worden automatisch gecontroleerd en zijn herprogrammeerbaar zonder fysieke wijziging, en ze zijn aanpasbaar aan verschillende toepassingen van het controlsysteem. Oorspronkelijk ontworpen om toepassingen in harde of onbereikbare omgevingen aan te pakken, zijn huidige industriële systemen steeds complexer en integreren robotica die veel eerdere handmatige operaties uitvoeren op een meer precieze en snellere manier dan een mens kan.

Een robotisch systeem bestaat primair uit vier subsystemen: mechanisch, actuator, meting en controle. Een kernuitdaging is dat de eisen voor lage snelheid en hoog koppel voor bewegingscontrole van de gewichten niet toelaten dat de mechanische kenmerken van de servomotoren effectief benut worden, wat, tegengesteld, hoge snelheid en laag koppel produceert onder optimale bedrijfsomstandigheden.

Daarom is de functie van een aandrijfeenheid om ervoor te zorgen dat de snelheid en het koppel van de motoren en de lasten compatibel zijn en de overdracht van mechanisch koppel van de ene naar de andere mogelijk maken. De transmissiecomponenten maken het ook mogelijk om statische en dynamische prestaties te verbeteren door de mechanische structuur te verlichten door de positionering van de motoren aan de basis van de robot.

Gewichtsbeweging wordt toevertrouwd aan motoren die de gewenste beweging van de mechanische structuur toelaten. Onder de drie sleuteltypen – permanentmagnet, direct current (borstels), en elektronische commutatie (borstelloos) elektrische motoren – is de borstelloze DC-motor, of BLDC, de enige die de eisen voor lage inertie en hoge positioneringsnauwkeurigheid het best optimaliseert.

Figuur 1: Een borstelloze DC-motor diagram (Afbeelding: Portescap)

BLDC's hebben geen mechanische schakeling in vergelijking met borstelmotoren die mechanische schakeling gebruiken waarbij roterende ankers met borstels worden gebruikt om elektrische verbindingen te maken.

De reductie van bewegende delen geeft de borstelloze motoren een lange levensduur, beperkt alleen door de slijtage van de kogellagers. Bovendien verbeteren de wikkels de warmteafvoering en overbelastingscapaciteit, wat hoge efficiëntie biedt vergeleken met andere DC-oplossingen.

Vanwege het gebrek aan borstels, vertoont een BLDC ook uitstekende duurzaamheid en lage geluidskarakteristieken. Er zijn twee hoofdtypen structuren: oppervlakte permanentmagnet (SPM) en interne permanentmagnet (IPM). SPM-motoren hebben de magneten bevestigd aan het exterieur van de rotoroppervlak. IPM-motoren hebben de permanentmagnet in de rotor zelf ingesloten.

DC-motoren en drivers

BLDC's bieden hoge efficiëntie, maar bovenal uitstekende koppel- en snelheidswaarden die in veel toepassingen worden gebruikt. Ze gebruiken een stationaire magneet met een roterende anker die verschillende onderdelen combineert om elektronische schakeling te bieden.

Het ontwerp van een BLDC is gericht op het optimaliseren van het koppel, wat de hoeveelheid rotatieve kracht van een motor vertegenwoordigt, en gerelateerd is aan de magneet en spoelwikkeling. Hoe groter het aantal poolparen in de magneet, hoe groter het motorkoppel.

Een voorbeeld is Portescap's Ultra EC-platform, bestaande uit drie families – de ECS, ECT en ECP. Deze borstelloze mini-motorfamilies, afhankelijk van koppel- en snelheidseisen, kunnen in een reeks toepassingen worden gebruikt. De gepatenteerde U-spoel biedt minimale ijzerverliezen, wat goede efficiëntie en koelere werking levert (Figuur 2).

Figuur 2: Portescap's Ultra EC-motor (Afbeelding: Portescap)

Maxon Motor AG's EC-i borstelloze motoren zijn beschikbaar in kleine diameters die geschikt zijn voor robotische toepassingen. Ze bieden een 30-mm diameter en worden gekenmerkt door hoge-dynamische en hoge-koppel-eigenschappen.

De EC-i-familie is beschikbaar in verschillende maten, elk in een standaardversie en een hoge-koppelversie, met een maximum nominaal koppel van tot 110 mNm bij 75 W. In alle versies kunnen de EC-i 30-motoren worden uitgebreid met encoders, tandwielen, servocontrollers of positioneringscontrollers (Figuur 3).

Figuur 3: Maxon Motor's EC-i-motor (Afbeelding: Maxon Motor)

STMicroelectronics, samen met Maxon, heeft een nieuwe kit ontwikkeld om het ontwerp van robotische en industriële toepassingen te versnellen. De EVALKIT-ROBOT-1-kit biedt nauwkeurige positionering in robotische toepassingen.

De kit bevat ST's STSPIN32F0A intelligente driefase-controller en een complete inverter-trap, gebouwd met ST-power-transistors gereed voor aansluiting op de motor. De STSPIN32F0A bevat kritieke motorcontroleschakelingen, inclusief een STM32F031C6-microcontroller en een driefase-inverter-driver in een compact 7 × 7-mm VFQFPN-pakket (Figuur 4).

Motorcontrol-firmware stelt ontwerpers in staat de motor te starten en commando's te sturen om hun project gemakkelijk te optimaliseren. De kit bevat een 100-W Maxon BLDC-motor (EC-i 40) met een ingebouwde 1024-puls incrementele encoder. Ook inbegrepen zijn Hall-sensoren voor rotor-positiedetectie.

Figuur 4: De ST EVALKIT-ROBOT-1-ontwikkelkit (Afbeelding: STMicroelectronics)

Een BLDC-motor is redelijk efficiënt, maar de druk om aan toenemend strenge eisen te voldoen, vereist dat bedrijven niet alleen de constructie van de motor verbeteren, maar ook de driver. In het bijzonder werken ze aan het verminderen van het algehele energieverbruik en het optimaliseren van thermisch beheer.

In veel gevallen incorporeren deze ontwerpen geïntegreerde drivers die het aantal benodigde externe componenten minimaliseren en system-on-chip-oplossingen die een hoog integratieniveau toelaten. Voordelen zijn ruimte- en energiebesparing, verbeterde algehele systeembetrouwbaarheid en verlagende kosten.

Omdat de BLDC geen structuur heeft om de richting van de stroom mechanisch te schakelen, moet dit elektronisch gebeuren. De golfvormen kunnen in twee hoofdtypen worden verdeeld: trapezium- en sinusoïdaal. Vanwege temperatuurlimieten en kosten zijn er gevallen waarin de positie van de rotor (magneet) wordt geschat vanuit de driefase-stroom geïnduceerde spanning zonder sensoren te gebruiken.

Drivers moeten correcte motorcontrole garanderen zodat ze snelheid en richting naar behoren kunnen regelen in de applicatie. Moderne microcontrollers (MCUs) zijn perfect voor het leveren van het prestatie- en computationele functionaliteitsniveau dat nodig is om hoge-efficiëntie controllussen voor DC (en AC) elektrische motoren te ontwikkelen.

Veel MCUs ondersteunen signaalverwerkingsfuncties die complexe algoritmen in realtime toelaten te verwerken met positioneringsdata. Dit is belangrijk omdat steeds meer applicaties proberen sensoren die positioneringsdata leveren te elimineren. Er zijn veel MCUs die peripherieën hebben die specifiek ontworpen zijn voor motorcontrol-toepassingen.

Bijvoorbeeld, Renesas Electronics' RL78/G14-microcontrollers balanceren het stroomverbruiksniveau met lage niveaus van stroomafname (66 μA/MHz wanneer de CPU in werking is en 240 nA in standby, of STOP-modus), wat een hoge berekeningsprestatie van 51,2 DMIPS (32 MHz) biedt. De geïntegreerde veiligheidsfuncties ondersteunen de veiligheidsstandaard, IEC/UL 60730, voor huishoudelijke apparaten.

In BLDC-motoren wordt de drive ook complexer. De snelheid en het koppel worden gecontroleerd door de aan/uit-duurverhouding van de transiënten; normaal neemt dit de vorm aan van een PWM-signaal dat gebruikt wordt om de wikkels aan te sturen. Deze conditie wordt verder gecompliceerd door het gebruik van single-fase, tweefase en driefase-motoren. Vandaag de dag worden veel geïntegreerde apparaten gebruikt als een drive-trap. Typisch omvatten ze gate-drivers om externe power MOSFETs aan te sturen die gebruikt worden om tot drie fasen van een motor op te wekken.

De motor vereist een hoog stroombedrag terwijl de controller-schakeling op laagstroom-signalen werkt. Dus de functie van de motordrivers is om een laagstroom-controlsignaals te nemen en dit te transformeren in een hogere-stroomsignaal dat een motor kan aansturen.

Infineon Technologies AG biedt een verscheidenheid aan geïntegreerde producten voor het controleren van variabele-snelheidsdrives. De iMOTION IC's integreren alle controle- en analoge-interface-functies die vereist zijn voor sensorless field-oriented control (FOC). Daarnaast bevatten ze het bewezen motorcontrole-algoritme (MCE) van het bedrijf dat softwarecodering uit het controleprotocol-ontwikkelingsproces elimineert.

Een andere ruimtebesparer zijn de slimme gate-drivers van Texas Instruments Inc. (TI). Deze drivers integreren passieve componenten om bordgrootte, componentenaantal, complexiteit en ontwerpkosten te reduceren. Ze stellen ontwerpers ook in staat om schakeling en elektromagnetische interferentie (EMI)-prestaties te optimaliseren.

In haar uitgebreide driver-portfolio biedt TI de DRV8313 met drie afzonderlijk controleerbare half-H-brug-drivers. Het apparaat is ontworpen om een driefase borsteloze DC-motor aan te sturen, hoewel het ook gebruikt kan worden om solenoïden of andere lasten aan te sturen. Een geïntegreerde comparator stelt de constructie van stroombegrenzingsschakelingen of andere functies in staat.

Een ander voorbeeld is de TC78B025FTG borsteloze driefase-motordriver-IC met een gesloten-lus snelheidscontrole-functie van Toshiba Electronic Devices & Storage Corp. Het apparaat werkt met een voedingsspanningsbereik van 4,5 V tot 16 V en biedt een sinusdrive met 150° schakeling. De lage ON-weerstand van 0,2 Ω (typ.) vermindert de zelfverhitting van de IC tijdens de werking, wat de ondersteuning uitbreidt tot hoge aansturingsstromen.

Elektrische isolatie

In het algemeen weten ontwerpers van elektrische motoren dat ze moeten voldoen aan internationale isolatiestandaarden om interferentie van een externe bron te voorkomen en de elektrische veiligheid van gebruikers te garanderen. Het gebruik van digitale isolatie biedt verschillende voordelen, waaronder snellere respons, wat de integratie van overstroombeveiliging en verminderde downtime toelaat. Dit biedt een meer progressieve variatie in uitgangsspanningen, waardoor koppelcontrole verbetert.

Omdat fotokoppels gebaseerd zijn op opto-elektronische technologie, zijn ze een uiterst robuuste methode om elektrische isolatie te garanderen zonder fysiek contact. Dit biedt veel voordelen ten opzichte van de traditionele benadering gebaseerd op het gebruik van electromechanische componenten zoals relais. Belangrijkste voordelen zijn slijtvrije werking, relatief lage kosten van complementaire componenten, minimale bordruimte, EMI-immuniteit, hoge betrouwbaarheid en lange operationele levensduur.

In motordrive-toepassingen vereisen twee hoofdonderdelen van de schakeling isolatie: de gate-drive voor de geïsoleerde gate-bipolaire transistor, of IGBT (apparaten met een collector en emitter aan één kant en aangedreven door een gate aan de andere), in brug-inverters en de stroom-fase-detectie in de motor. Fase-stroomsensing biedt bescherming aan de IGBT en feedback aan de controller om controle over de gesloten-lus-stroom te behouden.

Hier zijn een paar voorbeelden van fotokoppels die in robotische toepassingen gebruikt kunnen worden:

De RV1S92xxA en RV1S22xxA fotokoppels, met een pakketlengte van 2,5 mm, van Renesas Electronics Corp. laten de PCB-oppervlakte met 35% verminderen ten opzichte van vergelijkbare apparaten, wat ontwerpers helpt de grootte van hun robotische systemen te verkleinen. Dankzij hun versterkte isolatie, laten de RV1S92xxA en RV1S22xxA 200-V en 400-V-systemen veiligheidsstandaarden overschrijden. Alle apparaten voldoen aan de strenge UL61800-5-1 motorcontrolestandaarden en UL61010-2-201, die van toepassing is op controlsystemen zoals PLC's (Figuur 5).

Figuur 5: Doorsnedeweergave van Renesas Electronics' RV1S92xxA en RV1S22xxA (Afbeelding: Renesas)

Toshiba's TLP5214 is een hooggeïntegreerde 4-A uitgangsstroom IGBT-gate-drive fotokoppel in een SO16L-pakket. De TLP5214 heeft geavanceerde ingebouwde functies zoals IGBT-desaturatiedetectie, geïsoleerde foutstatus-feedback, zachte IGBT-afsluiting, actieve Miller-blokkering en undervoltage-blokkering (UVLO). Het is geschikt voor het aansturen van IGBTs en power MOSFETs gebruikt in inverter-toepassingen.

Conclusie

Of de motor nu gebruikt wordt in industriële of niet-industriële operationele omgevingen, het ontwerp van high-end bewegingscontrols met nauwkeurige positioneringsmogelijkheden is complex en vereist uiterst betrouwbare drive-oplossingen en optimale mechanische constructie.

In meer recente jaren zijn elektrische motoren ook gekoppeld aan opkomende robotische toepassingen zoals drones en Landbouw 4.0, die versnelde vooruitgang hebben gezien dankzij nieuwe productiesystemen zoals rapid prototyping, toegewezen besturingssystemen en geïntegreerde controlsystemen.