Hvordan motordrevinnovation kan hjælpe med at løse robotbevægelsesdesignudfordringer

Fra at assistere i kirurgi til at løfte tusindvis af kilo på fabrikker, robotter letter mange aspekter af vores liv. Robotternes indvirkning på den moderne verden er indlysende, men har du nogensinde tænkt over, hvordan robotsystemer opnår så præcise, hurtige og kraftfulde bevægelser? Hvis svaret er via motoren, tillykke!

Robotter har en tendens til at efterligne operationer, der ville blive udført af mennesker; som sådan består deres funktionalitet primært i at justere position og orientering gennem en form for forskydning eller rotation, typisk gennem motorer.

Mens traditionelle robotapplikationer primært fokuserede på mekanisk aktivering (såsom manipulation af arme eller løkker med transportbånd), er moderne applikationer meget enklere, såsom kamerarotation eller præcisionsmekanisk strålestyring til lidar-sensorer. Du kan blive overrasket over at vide, at de mest grundlæggende anvendelser af elektriske motorer er blæsere og pumper, men de spiller faktisk vigtige roller inden for køling og hydraulik.

Klik på billedet for at springe til video: Lær, hvordan TI bruger innovative halvledere til at forbedre robottens ydeevne

For eksempel består en børsteløs DC (BLDC) motor i et robotarmled (vist i figur 1) typisk af en roterende rotor og en stationær stator. Påføring af et elektrisk signal for at aktivere spoleviklingerne på statoren skaber et magnetfelt, som genererer magnetisk kraft, der bevæger rotoren, som igen roterer leddene i robotarmen. Ved rationelt at bruge elektroniske signaler vil robotarmen ikke kun bevæge sig, men også bevæge sig med en bestemt hastighed, positionsnøjagtighed og drejningsmoment.

Figur 1: Tværsnitsbillede af BLDC-motorstruktur

Hvordan elektriske motorer vil drive næste generation af robotter

Ud over præcise og kraftfulde opgaver, der involverer bevægelse, optimerer fremskridt inden for motorstyringshalvledere såsom mikrocontrollere (MCU'er) og integrerede motordrivere, hvordan robotter bevæger sig, og opnåelse af dette mål står over for 4 store udfordringer.

Udfordring 1: Øgede sikkerhedskrav til menneske-maskine-samarbejde
Tidligere skulle mennesker og robotter være strengt adskilt af sikkerhedsmæssige årsager, ofte ved at placere robotterne i bure. Øget automatisering kræver tættere menneske-maskine-samarbejde og interaktion. Samarbejdsrobotter hjælper med at forbedre arbejdseffektiviteten, men kræver motorer, der kan sikre sikre stop, sikre hastigheder, moment og bevægelseskontrol.

Enheder såsom C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU spiller en afgørende rolle i at hjælpe med at opfylde sikkerhedskravene. Disse enheder er certificeret til funktionel sikkerhed og kan integrere sikkerhedsudstyr til diagnostik, hvilket forenkler designs til den internationale standardiseringsorganisation (ISO) 10218-standarden. På den analoge side af spektret kan smarte gate-drivere som DRV8353F hjælpe ingeniører med at nå deres sikkerhedsmål med TÜV SÜD-certificerede tekniske rapporter. Dette supportdokument guider ingeniører gennem de designtrin, der kræves for at opnå sikker drejningsmomentnedlukning i overensstemmelse med IEC 61800-5-2-standarden. Uanset om det er en MCU eller en gate-driver, er der visse komponenter, der kan forenkle designprocessen og muliggøre funktionelt sikre motorsystemer.

Udfordring 2: Reducer vægten, forenkle ledninger og reducer omkostningerne gennem decentraliseret motorarkitektur
Motorelektronik bevæger sig fra styreskabe til at blive integreret direkte i robotled, hvilket hjælper med at reducere vægten, forenkle ledninger og reducere systemomkostningerne. Denne tendens har fået komponentproducenter til at udvikle løsninger, der kan integrere flere funktioner i mindre integrerede kredsløbspakker. Pladsbegrænsninger kræver også højere strømtæthed og strømeffektivitet.

Gallium Nitride FET'er såsom LMG3422R050 har integrerede gate-drivere, der kan øge effekttrinseffektiviteten til over 99%, hvilket gør det muligt for integrerede motorer at reducere eller eliminere behovet for køleplader. Ved at bruge ydre enheder til kommunikation i realtid og et absolut encoder-interface kan systemer, der bruger MCU'er, såsom TMS320F28065, generere pulsbreddemodulerede signaler med picosecond-opløsning. Disse funktioner reducerer kabler fra mere end 10 kabler pr. motor til i alt to busser for hele armen. Brug af en MCU og GaN FET'er i denne konfiguration gør det muligt for designere at optimere kablet forbindelse ved at tilføje single-pair Ethernet-funktionalitet gennem en fysisk Ethernet-transceiver såsom DP83TG721.

Udfordring 3: Automatisering af præcisionsbevægelsesopgaver kræver større præcision og nøjagtighed
Produktminiaturisering har haft indflydelse på valget af motor (servo-, step- eller børsteløs jævnstrømsmotor) til mange applikationer, og kompleksiteten af ​​motorstyring og positionsfeedback er øget for at kunne opnå den præcise bevægelse, der kræves for at interagere med disse små Produkter. Halvlederinnovationer gør det muligt at opnå den højere præcision, der kræves til produktminiaturisering. For eksempel har strømsensorer som AMC3306 en  50µV offsetspænding og en integreret strømforsyning. Ved at kombinere disse funktioner i en enkelt pakke forbedres nøjagtigheden af ​​kontrolsløjfen og reducerer den samlede størrelse af printkortet.

Udfordring 4: Optimer strømeffektiviteten til batteridrevne mobilapplikationer
I stedet for blot at være stationære ét sted bliver robotter mobile og hjælper med at levere pakker autonomt og sikkert udforske terræn. Nuværende og fremtidige halvledere, der bruges i registrerings-, behandlings- og realtidsstyringsapplikationer, skal balancere høj ydeevne og strømeffektivitet for at sikre en rimelig batterilevetid og mulig rækkevidde.

At opnå høj energieffektivitet behøver ikke at være komplekst, og det kræver heller ikke komplekse designtilgange ved hjælp af flere diskrete komponenter. For eksempel kan en enkelt motorcontroller som MCT8316A effektivt betjene små pumpe- og ventilatormotorer ved at reducere antallet af strømforbrugende komponenter i robotten. Denne meget integrerede enhed inkluderer seks metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer, der danner et halvbro-effekttrin til levering af motorstrøm, og en digital kerne, der muliggør enkel stigemotorstyring uden at skrive kode.

Hvad er fremtidsudsigterne for udvikling af motorisk kontrol?

Fremtidens robotter vil være hinsides fantasi. De kan nemt udføre opgaver, der virker umulige i dag - ofte opererer i havets dybeste skyttegrave eller begiver sig ud i det ukendte rum. Nye designs vil sandsynligvis inkorporere stadig mere avancerede sensorer, som vi i øjeblikket ser med lidar- og ultralydsteknologi. Den måde, vi kommunikerer med robotter på, kan endda ændre sig, fra fortidens kablede robotter til mere softwareorienterede løsninger i dag. Øget tilgængelighed muliggør mere pålidelig kontrol af robotter gennem tale, visuelt udtryk eller endda bare tanke. I løbet af denne udvikling, som robotteknologi og -applikationer fortsætter med at udvikle sig, skal de motorer, der er nødvendige for at drive deres bevægelser, også gøre det.