Fra å hjelpe til med kirurgi til å løfte tusenvis av kilo i produksjonsanlegg, roboter forenkler mange aspekter av livene våre. Virkningen av roboter på den moderne verden er åpenbar, men har du noen gang tenkt på hvordan robotsystemer oppnår så presis, rask og kraftig bevegelse? Hvis svaret er via motoren, gratulerer!
Roboter har en tendens til å imitere operasjoner som vil bli utført av mennesker; som sådan består funksjonaliteten deres primært av å justere posisjon og orientering gjennom en form for forskyvning eller rotasjon, typisk gjennom motorer.
Mens tradisjonelle robotapplikasjoner først og fremst fokuserte på mekanisk aktivering (som armmanipulering eller løkking av transportbånd), er moderne applikasjoner mye enklere, som kamerarotasjon eller presisjonsmekanisk strålestyring for lidar-sensorer. Du kan bli overrasket over å vite at de mest grunnleggende bruksområdene til elektriske motorer er vifter og pumper, men de spiller faktisk viktige roller i kjøling og hydraulikk.
Klikk på bildet for å gå til video: Lær hvordan TI bruker innovative halvledere for å forbedre robotytelsen
For eksempel består en børsteløs DC (BLDC) motor i et robotarmledd (vist i figur 1) typisk av en roterende rotor og en stasjonær stator. Ved å påføre et elektrisk signal for å aktivere spoleviklingene på statoren skapes et magnetfelt, som genererer magnetisk kraft som beveger rotoren, som igjen roterer leddene i robotarmen. Ved rasjonelt bruk av elektroniske signaler vil robotarmen ikke bare bevege seg, men også bevege seg med en bestemt hastighet, posisjonsnøyaktighet og dreiemoment.
Figur 1: Tverrsnitt av BLDC-motorstrukturen
Hvordan elektriske motorer vil drive neste generasjon roboter
I tillegg til presise og kraftige oppgaver som involverer bevegelse, optimaliserer fremskritt innen motorkontrollhalvledere som mikrokontrollere (MCU-er) og integrerte motordrivere hvordan roboter beveger seg, og å nå dette målet står overfor fire store utfordringer.
Utfordring 1: Øke sikkerhetskrav for menneske-maskin-samarbeid
Tidligere måtte mennesker og roboter være strengt adskilt av sikkerhetsmessige årsaker, ofte ved å plassere robotene i bur. Økt automatisering krever tettere menneske-maskin-samarbeid og samhandling. Samarbeidende roboter bidrar til å forbedre arbeidseffektiviteten, men krever motorer som kan sikre sikre stopp, sikre hastigheter, dreiemoment og bevegelseskontroll.
Enheter som C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU spiller en avgjørende rolle i å oppfylle sikkerhetskravene. Disse enhetene er sertifisert for funksjonell sikkerhet og kan integrere sikkerhetsutstyr for diagnostikk, noe som forenkler design til International Organization for Standardization (ISO) 10218-standarden. På den analoge siden av spekteret kan smarte portdrivere som DRV8353F hjelpe ingeniører med å oppnå sikkerhetsmålene sine med TÜV SÜD-sertifiserte tekniske rapporter. Dette støttedokumentet veileder ingeniører gjennom designtrinnene som kreves for å oppnå sikker dreiemomentavstengning i samsvar med IEC 61800-5-2-standarden. Enten det er en MCU eller en portdriver, er det visse komponenter som kan forenkle designprosessen og muliggjøre funksjonelt sikre motorsystemer.
Utfordring 2: Reduser vekt, forenkle kabling og reduser kostnader gjennom desentralisert motorarkitektur
Motorelektronikk går fra styreskap til å bli integrert direkte i robotledd, noe som bidrar til å redusere vekten, forenkle kabling og redusere systemkostnadene. Denne trenden har fått komponentprodusenter til å utvikle løsninger som kan integrere flere funksjoner i mindre integrerte kretspakker. Plassbegrensninger krever også høyere strømtetthet og strømeffektivitet.
Gallium Nitride FET-er som LMG3422R050 har integrerte portdrivere som kan øke effekttrinneffektiviteten til over 99 %, slik at integrerte motorer kan redusere eller eliminere behovet for kjøleribber. Ved å bruke periferiutstyr for kommunikasjon i sanntid og et absolutt kodergrensesnitt, kan systemer som bruker MCU-er som TMS320F28065 generere pulsbreddemodulerte signaler med pikosekundoppløsning. Disse funksjonene reduserer kabling fra mer enn 10 kabler per motor til totalt to busser for hele armen. Ved å bruke en MCU og GaN FET-er i denne konfigurasjonen kan designere optimalisere kablet tilkobling ved å legge til enkeltpars Ethernet-funksjonalitet gjennom en fysisk Ethernet-transceiver som DP83TG721.
Utfordring 3: Automatisering av presisjonsbevegelsesoppgaver krever større presisjon og nøyaktighet
Produktminiatyrisering har hatt innvirkning på valget av motor (servo-, stepper- eller børsteløs likestrømsmotor) for mange bruksområder, og kompleksiteten for motorkontroll og posisjonsfeedback har økt for å kunne oppnå den nøyaktige bevegelsen som kreves for å samhandle med disse små Produkter. Halvlederinnovasjoner gjør det mulig å oppnå den høyere presisjonen som kreves for produktminiatyrisering. For eksempel har strømsensorer som AMC3306 en 50µV offsetspenning og en integrert strømforsyning. Ved å kombinere disse funksjonene i en enkelt pakke forbedres nøyaktigheten til kontrollsløyfen og reduserer den totale størrelsen på kretskortet.
Utfordring 4: Optimaliser strømeffektiviteten for batteridrevne mobilapplikasjoner
I stedet for bare å være stasjonære på ett sted, blir roboter mobile, og hjelper til med å levere pakker autonomt og trygt utforske terreng. Nåværende og fremtidige halvledere som brukes i sensing, prosessering og sanntidskontrollapplikasjoner må balansere høy ytelse og strømeffektivitet for å sikre rimelig batterilevetid og mulig rekkevidde.
Å oppnå høy effekteffektivitet trenger ikke å være komplisert, og det krever heller ikke komplekse designtilnærminger som bruker flere diskrete komponenter. For eksempel kan en enkelt motorkontroller som MCT8316A effektivt betjene små pumpe- og viftemotorer ved å redusere antall strømkrevende komponenter i roboten. Denne svært integrerte enheten inkluderer seks metall-oksid-halvleder-felteffekttransistorer som danner et halvbro-effekttrinn for å levere motorstrøm, og en digital kjerne som muliggjør enkel stigemotorkontroll uten å skrive kode.
Hva er fremtidsutsiktene for utvikling av motorisk kontroll?
Fremtidens roboter vil være hinsides fantasien. De kan enkelt fullføre oppgaver som virker umulige i dag - ofte opererer i de dypeste skyttergravene i havet, eller begir seg ut i det ukjente rommet. Nye design vil sannsynligvis inkludere stadig mer avanserte sensorer, slik vi for tiden ser med lidar- og ultralydteknologi. Måten vi kommuniserer med roboter på kan til og med endre seg, fra fortidens kablede roboter til mer programvareorienterte løsninger i dag. Økt tilgjengelighet muliggjør mer pålitelig kontroll av roboter gjennom tale, visuelle uttrykk eller til og med bare tanker. I løpet av denne utviklingen, ettersom robotteknologi og -applikasjoner fortsetter å utvikle seg, må motorene som kreves for å drive deres bevegelser, også gjøre det.