機(jī)器人系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成：機(jī)械、執(zhí)行器、測(cè)量和控制。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制對(duì)低速和高扭矩的要求不允許有效利用伺服電機(jī)的機(jī)械特性，相反，這在最佳操作條件下產(chǎn)生高速和低扭矩。

因此，驅(qū)動(dòng)單元的功能是確保電機(jī)與負(fù)載的速度和扭矩兼容，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械扭矩從一個(gè)傳遞到另一個(gè)。傳動(dòng)部件還可以通過(guò)將電機(jī)定位在機(jī)器人底座上來(lái)減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)委托給允許機(jī)械結(jié)構(gòu)所需運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。在永磁、直流（有刷）和電子換向（無(wú)刷）電機(jī)這三種關(guān)鍵類型中，最能滿足低慣性和高定位精度要求的一種是無(wú)刷直流電機(jī)，即 BLDC。

與使用機(jī)械開關(guān)的有刷電機(jī)相比，BLDC 沒有機(jī)械開關(guān)，其中使用帶電刷的旋轉(zhuǎn)電樞進(jìn)行電氣連接。

運(yùn)動(dòng)部件的減少使無(wú)刷電機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)，僅受滾珠軸承磨損的限制。此外，繞組提高了散熱和過(guò)載能力，與其他直流解決方案相比提供了更高的效率。

由于沒有電刷，BLDC 還表現(xiàn)出出色的耐用性和低噪音特性。有兩種主要類型的結(jié)構(gòu)：表面永磁體（SPM）和內(nèi)部永磁體（IPM）。SPM 電機(jī)的磁鐵附著在轉(zhuǎn)子表面的外部。相反，IPM 電機(jī)將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子本身。

直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

BLDC 提供高效率，但最重要的是，它提供了許多應(yīng)用中使用的出色扭矩和速度值。它們使用帶有旋轉(zhuǎn)電樞的固定磁鐵，該電樞結(jié)合了各種部件以提供電子開關(guān)。

BLDC 的設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化扭矩，該扭矩代表電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力大小，并與磁鐵和線圈繞組有關(guān)。磁體中的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)扭矩越大。

一個(gè)例子是 Portescap 的 Ultra EC 平臺(tái)，它由三個(gè)系列組成——ECS、ECT 和 ECP。根據(jù)扭矩和速度要求，這些無(wú)刷微型電機(jī)系列可用于各種應(yīng)用。獲得專利的 U 線圈提供最小的鐵損，從而提供良好的效率和冷卻器運(yùn)行）。

STMicroelectronics 與 Maxon 合作開發(fā)了一種新套件，以加速機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)。EVALKIT-ROBOT-1 套件可在機(jī)器人應(yīng)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(gè)完整的逆變器級(jí)，內(nèi)置 ST 功率晶體管，可隨時(shí)連接到電機(jī)。STSPIN32F0A 包含關(guān)鍵的電機(jī)控制電路，包括 STM32F031C6 微控制器和采用緊湊型 7 × 7 毫米 VFQFPN 封裝的三相逆變器驅(qū)動(dòng)器。

BLDC 電機(jī)非常高效，但要滿足日益嚴(yán)格的要求，公司不僅要改進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，還要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。特別是，他們正在努力降低整體能源消耗并優(yōu)化熱管理。

在許多情況下，這些設(shè)計(jì)包含可最大限度減少所需外部組件數(shù)量的集成驅(qū)動(dòng)器和可實(shí)現(xiàn)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。

由于 BLDC 沒有以機(jī)械方式切換電流方向的結(jié)構(gòu)，因此必須以電子方式進(jìn)行切換。波形可分為兩種主要類型：梯形和正弦形。由于溫度限制和成本，有時(shí)會(huì)在不使用傳感器的情況下根據(jù)三相電流或感應(yīng)電壓估計(jì)轉(zhuǎn)子（磁鐵）的位置。

驅(qū)動(dòng)程序必須確保正確的電機(jī)控制，以便他們可以在應(yīng)用中相應(yīng)地控制速度和方向?，F(xiàn)代微控制器 (MCU) 非常適合提供為直流（和交流）電動(dòng)機(jī)開發(fā)高效控制回路所需的性能水平和計(jì)算功能。

許多 MCU 支持信號(hào)處理功能，允許使用定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的算法。這很重要，因?yàn)樵絹?lái)越多的應(yīng)用程序正試圖消除提供定位數(shù)據(jù)的傳感器。有許多 MCU 具有專為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的外設(shè)。

例如，瑞薩電子的 RL78/G14 微控制器平衡了電流消耗水平和低電流消耗水平（CPU 工作時(shí)為 66 μ/MHz，待機(jī)或停止模式下為 240 nA），提供了高計(jì)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(biāo)準(zhǔn) IEC/UL 60730。

在 BLDC 電機(jī)中，驅(qū)動(dòng)也變得更加復(fù)雜。速度和扭矩由瞬態(tài)的開/關(guān)持續(xù)時(shí)間比控制；通常，這采用用于驅(qū)動(dòng)繞組的 PWM 信號(hào)的形式。這種情況因使用單相、兩相和三相電機(jī)而進(jìn)一步復(fù)雜化。今天，許多集成設(shè)備被用作驅(qū)動(dòng)階段。通常，它們包括用于驅(qū)動(dòng)外部功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器，這些功率 MOSFET 用于激勵(lì)電機(jī)的最多三相。

電機(jī)需要大量電流，而控制器電路則以低電流信號(hào)運(yùn)行。所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用就是把一個(gè)低電流的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高電流信號(hào)。

Infineon Technologies AG 提供各種用于控制變速驅(qū)動(dòng)器的集成產(chǎn)品。iMOTION IC 集成了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 所需的所有控制和模擬接口功能。此外，它們采用該公司經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電機(jī)控制引擎 (MCE) 算法，可從控制協(xié)議開發(fā)過(guò)程中消除軟件編碼。

另一個(gè)節(jié)省空間的是德州儀器 (TI) 的智能柵極驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器集成了無(wú)源元件以減少電路板尺寸、元件數(shù)量、復(fù)雜性和設(shè)計(jì)成本。它們還使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化開關(guān)和電磁干擾 (EMI) 性能。

在其廣泛的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中，TI 提供具有三個(gè)獨(dú)立可控半 H 橋驅(qū)動(dòng)器的 DRV8313。該設(shè)備旨在驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷直流電機(jī)，但也可用于驅(qū)動(dòng)螺線管或其他負(fù)載。集成比較器允許構(gòu)建限流電路或其他功能。

另一個(gè)例子是東芝電子器件與存儲(chǔ)公司的具有閉環(huán)速度控制功能的 TC78B025FTG 無(wú)刷三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC。該器件在 4.5 V 至 16 V 的電壓范圍內(nèi)工作，并提供正弦驅(qū)動(dòng)150° 切換。0.2 Ω (典型值) 的低導(dǎo)通電阻減少了 IC 在工作期間的自熱，從而擴(kuò)展了對(duì)高驅(qū)動(dòng)電流的支持。

審核編輯：劉清