Motorbesturingen ontwerpen voor robotsystemen

Een robotmanipulator is programmeerbaar op drie of meer assen die de bewegingen van een robot specificeren, ofwel de robotarmen of het lichaam. Deze robotmanipulatoren worden automatisch bestuurd en herprogrammeerbaar zonder fysieke wijziging, en ze zijn aanpasbaar aan verschillende toepassingen van het besturingssysteem. Oorspronkelijk ontworpen voor toepassingen in ruwe of ontoegankelijke omgevingen, worden de huidige industriële systemen steeds complexer en integreren ze robotica die veel voorheen handmatige bewerkingen op een preciezere en snellere manier uitvoert dan een mens zou kunnen doen.

Een robotsysteem bestaat voornamelijk uit vier subsystemen:mechanisch, actuator, meting en controle. Een belangrijke uitdaging is dat de vereisten voor lage snelheid en hoog koppel voor bewegingscontrole van de gewrichten het niet mogelijk maken om de mechanische eigenschappen van de servomotoren effectief te benutten, wat integendeel een hoge snelheid en een laag koppel produceert onder optimale bedrijfsomstandigheden.

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

Gezamenlijke beweging wordt toevertrouwd aan motoren die de gewenste beweging van de mechanische structuur mogelijk maken. Van de drie belangrijkste typen — permanente magneet, gelijkstroom (geborsteld) en elektronische commutatie (borstelloze) elektromotoren — is degene die het beste de vereisten voor lage traagheid en hoge positioneringsnauwkeurigheid optimaliseert, de borstelloze gelijkstroommotor, of BLDC.

Figuur 1:Een borstelloos DC-motordiagram (Afbeelding:Portescap)

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

De vermindering van bewegende delen geeft de borstelloze motoren een lange levensduur, alleen beperkt door de slijtage van de kogellagers. Bovendien verbeteren de wikkelingen de warmteafvoer en overbelastingscapaciteit, wat een hoog rendement biedt in vergelijking met andere DC-oplossingen.

Door het ontbreken van borstels vertoont een BLDC ook een uitstekende duurzaamheid en geluidsarme eigenschappen. Er zijn twee hoofdtypen structuren:oppervlakte permanente magneet (SPM) en interne permanente magneet (IPM). Bij SPM-motoren zijn de magneten aan de buitenkant van het rotoroppervlak bevestigd. In plaats daarvan hebben IPM-motoren de permanente magneet ingebed in de rotor zelf.

DC-motoren en drivers

BLDC's bieden een hoog rendement, maar vooral uitstekende koppel- en snelheidswaarden die in veel toepassingen worden gebruikt. Ze gebruiken een stationaire magneet met een roterend anker dat verschillende onderdelen combineert om elektronische schakelingen mogelijk te maken.

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

Een voorbeeld is het Ultra EC-platform van Portescap, dat bestaat uit drie families:de ECS, ECT en ECP. Deze borstelloze mini-motorfamilies kunnen, afhankelijk van de koppel- en snelheidsvereisten, in tal van toepassingen worden gebruikt. De gepatenteerde U-spoel biedt minimale ijzerverliezen, wat zorgt voor een goede efficiëntie en een koelere werking (Figuur 2 ).

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

De borstelloze EC-i-motoren van Maxon Motor AG zijn verkrijgbaar in kleine diameters die geschikt zijn voor robottoepassingen. Ze hebben een diameter van 30 mm en worden gekenmerkt door hoge dynamische eigenschappen en een hoog koppel.

De EC-i-familie is verkrijgbaar in verschillende maten, elk in een standaardversie en een versie met hoog koppel, met een maximaal nominaal koppel van maximaal 110 mNm bij 75 W. In alle versies kunnen de EC-i 30-motoren worden uitgebreid met encoders, tandwielkasten, servocontrollers of positioneringscontrollers (Figuur 3 ).

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

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

De kit bevat de STSPIN32F0A intelligente driefasige controller van ST en een complete invertertrap, gebouwd met ST-vermogenstransistoren die klaar zijn voor aansluiting op de motor. De STSPIN32F0A bevat kritische motorbesturingscircuits, waaronder een STM32F031C6-microcontroller en een driefasige inverterdriver in een compact VFQFPN-pakket van 7 × 7 mm (Afbeelding 4 ).

Met motorbesturingsfirmware kunnen ontwerpers de motor starten en beginnen met het verzenden van opdrachten om hun project eenvoudig te optimaliseren. De kit bevat een Maxon BLDC-motor van 100 W (EC-i 40) met een ingebouwde incrementele encoder met 1024 pulsen. Ook inbegrepen zijn Hall-sensoren voor detectie van de rotorpositie.

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

Een BLDC-motor is behoorlijk efficiënt, maar door de druk om aan steeds strengere eisen te voldoen, moeten bedrijven niet alleen de constructie van de motor, maar ook de bestuurder verbeteren. Ze werken met name aan het verminderen van het algehele energieverbruik en het optimaliseren van het thermisch beheer.

In veel gevallen bevatten deze ontwerpen geïntegreerde stuurprogramma's die het aantal vereiste externe componenten minimaliseren en systeem-op-chip-oplossingen die een hoog niveau van integratie mogelijk maken. Voordelen zijn onder meer ruimte- en energiebesparing, verbeterde algehele systeembetrouwbaarheid en lagere kosten.

Omdat de BLDC geen structuur heeft om de stroomrichting mechanisch te veranderen, moet dit elektronisch gebeuren. De golfvormen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen:trapeziumvormig en sinusvormig. Vanwege de temperatuurbeperkingen en kosten zijn er gevallen waarin de positie van de rotor (magneet) wordt geschat op basis van de driefasige stroom of geïnduceerde spanning zonder de sensoren te gebruiken.

Bestuurders moeten zorgen voor een juiste motorbesturing, zodat ze de snelheid en richting dienovereenkomstig in de toepassing kunnen regelen. Moderne microcontrollers (MCU's) zijn perfect voor het leveren van het prestatieniveau en de rekenfunctionaliteit die nodig zijn om zeer efficiënte regelkringen te ontwikkelen voor gelijkstroom- (en wisselstroom) elektromotoren.

Veel MCU's ondersteunen signaalverwerkingsfuncties waarmee complexe algoritmen in realtime kunnen worden verwerkt met behulp van positioneringsgegevens. Dit is belangrijk omdat steeds meer toepassingen sensoren proberen te elimineren die positiegegevens leveren. Er zijn veel MCU's met randapparatuur die speciaal is ontworpen voor motorbesturingstoepassingen.

Zo balanceren de RL78/G14-microcontrollers van Renesas Electronics het huidige verbruiksniveau met een laag stroomverbruik (66 μ/MHz wanneer de CPU in werking is en 240 nA in de stand-by- of STOP-modus), en bieden ze hoge rekenprestaties van 51,2 DMIPS (32 MHz). De geïntegreerde veiligheidsfuncties ondersteunen de veiligheidsnorm IEC/UL 60730 voor huishoudelijke apparaten.

Bij BLDC-motoren wordt de aandrijving ook complexer. De snelheid en het koppel worden geregeld door de aan/uit-duurverhouding van de transiënten; normaal gesproken neemt dit de vorm aan van een PWM-signaal dat wordt gebruikt om de wikkelingen aan te drijven. Deze toestand wordt verder bemoeilijkt door het gebruik van enkelfasige, tweefasige en driefasige motoren. Tegenwoordig worden veel geïntegreerde apparaten gebruikt als aandrijftrap. Meestal bevatten ze gate-drivers om externe MOSFET's aan te sturen die worden gebruikt om maximaal drie fasen van een motor te bekrachtigen.

De motor vereist een hoge hoeveelheid stroom terwijl het regelcircuit werkt op zwakstroomsignalen. De functie van de motordrivers is dus om een ​​stuursignaal met een lage stroomsterkte te nemen en dit vervolgens om te zetten in een signaal met een hogere stroomsterkte dat een motor kan aandrijven.

Infineon Technologies AG biedt een verscheidenheid aan geïntegreerde producten voor het aansturen van frequentieregelaars. De iMOTION IC's integreren alle besturings- en analoge interfacefuncties die nodig zijn voor sensorloze veldgeoriënteerde besturing (FOC). Bovendien beschikken ze over het beproefde motor control engine (MCE) algoritme van het bedrijf dat softwarecodering uit het ontwikkelingsproces van het besturingsprotocol elimineert.

Een andere ruimtebesparing zijn de slimme poortdrivers van Texas Instruments Inc. (TI). Deze drivers integreren passieve componenten om de bordgrootte, het aantal componenten, de complexiteit en de ontwerpkosten te verminderen. Ze stellen ontwerpers ook in staat om de prestaties van schakelen en elektromagnetische interferentie (EMI) te optimaliseren.

In zijn uitgebreide driverportfolio biedt TI de DRV8313 aan met drie afzonderlijk regelbare halve H-bridge-drivers. Het apparaat is ontworpen om een ​​driefasige borstelloze gelijkstroommotor aan te drijven, hoewel het ook kan worden gebruikt om elektromagneten of andere belastingen aan te drijven. Een geïntegreerde comparator maakt de constructie van stroombeperkende circuits of andere functies mogelijk.

Een ander voorbeeld is het TC78B025FTG borstelloze driefasige motorstuurprogramma met een closed-loop snelheidsregelingsfunctie van Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. Het apparaat werkt met een voeding in het spanningsbereik van 4,5 V tot 16 V en biedt een sinusaandrijving met 150° schakeling. De lage AAN-weerstand van 0,2 Ω (typ.) vermindert de zelfverhitting van het IC tijdens bedrijf, waardoor de ondersteuning wordt uitgebreid tot hoge stuurstromen.

Elektrische isolatie

Over het algemeen weten ontwerpers van elektromotoren dat ze moeten voldoen aan internationale isolatienormen om interferentie van een externe bron te voorkomen en om de elektrische veiligheid van gebruikers te waarborgen. Het gebruik van digitale isolatie biedt verschillende voordelen, waaronder een snellere respons, wat de integratie van overstroombeveiliging en verminderde uitvaltijd mogelijk maakt. Dit zorgt voor een meer progressieve variatie in uitgangsspanningen, waardoor de koppelregeling wordt verbeterd.

Omdat fotokoppelaars zijn gebaseerd op opto-elektronische technologie, zijn ze een uiterst robuuste methode om elektrische isolatie zonder fysiek contact te garanderen. Dit biedt veel voordelen ten opzichte van de traditionele benadering gebaseerd op het gebruik van elektromechanische componenten zoals relais. De belangrijkste voordelen zijn onder meer een slijtagevrije werking, relatief lage kosten van aanvullende componenten, minimale bordruimte, EMI-immuniteit, hoge betrouwbaarheid en een lange levensduur.

Bij motoraandrijftoepassingen vereisen twee hoofdonderdelen van het circuit isolatie:de poortaandrijving voor de bipolaire transistor met geïsoleerde poort, of IGBT (apparaten met een collector en emitter aan de ene kant en aangedreven door een poort aan de andere), in brugomvormers en de stroomfasedetectie in de motor. Fasestroomdetectie biedt bescherming aan de IGBT en feedback aan de controller om de controle over de gesloten-lusstroom te behouden.

Hier zijn een paar voorbeelden van fotokoppelaars die kunnen worden gebruikt in robottoepassingen:

Met de fotokoppelaars RV1S92xxA en RV1S22xxA, met een pakketlengte van 2,5 mm, van Renesas Electronics Corp. kan het PCB-oppervlak met 35% worden verkleind in vergelijking met vergelijkbare apparaten, waardoor ontwerpers de grootte van hun robotsystemen kunnen verkleinen. Dankzij hun versterkte isolatie zorgen de RV1S92xxA en RV1S22xxA ervoor dat 200-V- en 400-V-systemen de veiligheidsnormen overtreffen. Alle apparaten voldoen aan de strenge UL61800-5-1 motorbesturingsnormen en UL61010-2-201, die van toepassing is op besturingssystemen zoals PLC's ( Figuur 5 ).

Figuur 5:Dwarsdoorsnede van de RV1S92xxA en RV1S22xxA van Renesas Electronics (Afbeelding:Renesas)

Toshiba's TLP5214 is een sterk geïntegreerde 4-A uitgangsstroom IGBT gate drive fotokoppelaar gehuisvest in een SO16L-pakket. De TLP5214 heeft geavanceerde ingebouwde functies zoals IGBT-desaturatiedetectie, geïsoleerde foutstatusfeedback, zachte IGBT-uitschakeling, actieve Miller-blokkering en onderspanningsblokkering (UVLO). Het is geschikt voor het aansturen van IGBT's en vermogens-MOSFET's die worden gebruikt in omvormertoepassingen.

Conclusie

Of de motor nu wordt gebruikt in industriële of niet-industriële bedrijfsomgevingen, het ontwerp van hoogwaardige bewegingsbesturingen met nauwkeurige positioneringsmogelijkheden is complex en vereist uiterst betrouwbare aandrijfoplossingen en een optimale mechanische constructie.

In recentere jaren zijn elektromotoren ook gekoppeld aan opkomende robottoepassingen zoals drones en Agriculture 4.0, die versnelde vooruitgang hebben geboekt dankzij nieuwe productiesystemen zoals rapid prototyping, speciale besturingssystemen en geïntegreerde controlesystemen.