機器人的運作離不開點擊的支撐，機器人系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成：機械，執(zhí)行器，測量和控制。關鍵挑戰(zhàn)在于，對關節(jié)運動控制的低速和高扭矩要求無法有效利用伺服電機的機械特性，相反，在最佳工作條件下卻會產(chǎn)生高速和低扭矩。因此，驅動單元的功能是確保電動機的速度和轉矩與負載兼容，并使機械轉矩從一個傳遞到另一個。傳動組件還可以通過將電機放置在機器人基座上來減輕機械結構，從而改善靜態(tài)和動態(tài)性能。
關節(jié)運動委托給允許機械結構進行所需運動的電動機。在三種主要類型中，永磁體，直流(有刷)和電子換向(無刷)電動機中，最能優(yōu)化低慣性和高定位精度要求的一種是無刷直流電動機，即BLDC。與使用機械開關的有刷電動機相比，BLDC沒有機械開關，在有刷電動機中，帶電刷的旋轉電樞用于進行電氣連接。
活動部件的減少使無刷電機的使用壽命更長，僅受球軸承的磨損限制。此外，繞組改善了散熱和過載能力，與其他直流解決方案相比，效率更高。由于沒有電刷，因此BLDC還具有出色的耐用性和低噪音特性。結構主要有兩種：表面永磁體(SPM)和內(nèi)部永磁體(IPM)。 SPM電機的磁鐵附著在轉子表面的外部。相反，IPM電動機將永磁體嵌入轉子本身。
直流電動機和驅動器
BLDC提供高效率，但最重要的是，在許多應用中都使用了出色的扭矩和速度值。他們使用帶有旋轉電樞的固定磁鐵，該電樞將各個部分結合在一起以提供電子開關。BLDC的設計旨在優(yōu)化代表電動機旋轉力的轉矩，該轉矩與磁體和線圈繞組有關。磁鐵中的極對數(shù)越多，電動機轉矩越大。
一個例子是Portescap的Ultra EC平臺，該平臺由三個系列組成-ECS，ECT和ECP。根據(jù)扭矩和速度要求，這些無刷微型電動機系列可以用于多種應用中。獲得專利的U形線圈可最大程度地減少鐵損，從而提高效率，并降低運行溫度(圖1)。意法半導體(STMicroelectronics)與Maxon(Maxon)共同開發(fā)了一種新套件，以加快機器人和工業(yè)應用的設計。 EVALKIT-ROBOT-1套件可在機器人應用中提供精確定位。
該套件包含ST的STSPIN32F0A智能三相控制器和一個完整的逆變器級，其中內(nèi)置有ST功率晶體管，可隨時連接到電動機。 STSPIN32F0A包含關鍵的電機控制電路，包括STM32F031C6微控制器和緊湊的7×7毫米VFQFPN封裝的三相逆變器驅動器。BLDC電機效率很高，但是要滿足日益嚴格的要求的壓力不僅要求公司改善電機的結構，而且還需要改善驅動器。特別是，他們正在努力減少總體能源消耗并優(yōu)化熱管理。
在許多情況下，這些設計都集成了集成驅動器，以最大程度地減少所需的外部組件數(shù)量，并集成了允許高度集成的片上系統(tǒng)解決方案。好處包括節(jié)省空間和能源，提高整體系統(tǒng)可靠性以及降低成本。因為BLDC沒有機械地切換電流方向的結構，所以必須以電子方式完成。波形可分為兩種主要類型：梯形和正弦形。由于溫度的限制和成本，在某些情況下，可能不使用傳感器而根據(jù)三相電流或感應電壓來估算轉子(磁體)的位置。
駕駛員必須確保正確的電動機控制，以便他們可以在應用中相應地控制速度和方向?，F(xiàn)代微控制器(MCU)非常適合提供開發(fā)用于DC(和AC)電動機的高效控制回路所需的性能和計算功能水平。許多MCU支持信號處理功能，這些功能允許使用定位數(shù)據(jù)實時處理復雜的算法。這很重要，因為越來越多的應用程序正在嘗試消除提供定位數(shù)據(jù)的傳感器。許多MCU具有專門為電機控制應用設計的外設。
例如，瑞薩電子(Renesas Electronics)的RL78 / G14微控制器平衡了電流消耗水平與低電流消耗水平(CPU在運行時為66μ/ MHz，在待機或STOP模式下為240 nA)，從而提供了高計算性能51.2 DMIPS(32 MHz)。集成的安全功能支持家用電器的安全標準IEC / UL 60730。
在BLDC電機中，驅動器也變得更加復雜。速度和轉矩由瞬態(tài)的開/關持續(xù)時間比率控制;通常，這采用用于驅動繞組的PWM信號的形式。使用單相，兩相和三相電動機會使這種情況更加復雜。如今，許多集成設備都被用作驅動階段。通常，它們包括用于驅動外部功率MOSFET的柵極驅動器，該功率MOSFET用于激勵多達三個電機的三相。電機需要大量電流，而控制器電路則以低電流信號運行。因此，電動機驅動器的功能是獲取低電流控制信號，然后將其轉換為可以驅動電動機的高電流信號。
Infineon Technologies AG提供各種用于控制變速驅動器的集成產(chǎn)品。 iMOTION IC集成了無傳感器磁場定向控制(FOC)所需的所有控制和模擬接口功能。此外，它們還采用了該公司久經(jīng)考驗的電機控制引擎(MCE)算法，該算法從控制協(xié)議開發(fā)過程中消除了軟件編碼。
另一個節(jié)省空間的是德州儀器(TI)的智能門驅動器。這些驅動器集成了無源組件，以減少電路板尺寸，組件數(shù)量，復雜性和設計成本。它們還使設計人員能夠優(yōu)化開關和電磁干擾(EMI)性能。TI在其廣泛的驅動器產(chǎn)品組合中為DRV8313提供了三個可單獨控制的半H橋驅動器。該設備旨在驅動三相無刷直流電動機，盡管它也可以用于驅動螺線管或其他負載。集成的比較器允許構建限流電路或其他功能。
另一個例子是東芝電子設備和存儲公司的具有閉環(huán)速度控制功能的TC78B025FTG無刷三相電動機驅動器IC。該設備使用4.5 V至16 V電壓范圍的電源供電，并提供正弦驅動150°切換。 0.2Ω(典型值)的低導通電阻降低了IC在工作期間的自發(fā)熱，從而將支持范圍擴大到高驅動電流。以上就是機器人的運作原理，希望在大家沒有思路的時候，看完有所啟發(fā)。