Роботы облегчают многие аспекты нашей жизни: от помощи в хирургии до подъема тысяч килограммов на производственных предприятиях. Влияние роботов на современный мир очевидно, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как роботизированные системы достигают таких точных, быстрых и мощных движений? Если ответ через мотор, поздравляем!
Роботы склонны имитировать операции, которые могли бы выполнять люди; как таковые, их функциональность в первую очередь состоит в регулировке положения и ориентации посредством некоторой формы смещения или вращения, обычно с помощью двигателей.
В то время как традиционные приложения робототехники ориентированы в первую очередь на механическое приведение в действие (например, манипулирование руками или зацикливание конвейерной ленты), современные приложения намного проще, например, вращение камеры или прецизионное механическое управление лучом для лидарных датчиков. Вы можете быть удивлены, узнав, что электродвигатели чаще всего используются в вентиляторах и насосах, но на самом деле они играют важную роль в охлаждении и гидравлике.
Нажмите на изображение, чтобы перейти к видео: Узнайте, как TI использует инновационные полупроводники для повышения производительности роботов.
Например, бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) в шарнире роботизированной руки (показанный на рисунке 1) обычно состоит из вращающегося ротора и неподвижного статора. Подача электрического сигнала для подачи питания на обмотки катушки статора создает магнитное поле, которое генерирует магнитную силу, которая перемещает ротор, который, в свою очередь, вращает суставы внутри роботизированной руки. Благодаря рациональному использованию электронных сигналов роботизированная рука будет не только двигаться, но и двигаться с определенной скоростью, точностью положения и крутящим моментом.
Рисунок 1: Поперечное сечение конструкции двигателя BLDC.
Как электродвигатели будут приводить в действие роботов следующего поколения
В дополнение к точным и мощным задачам, связанным с движением, достижения в области полупроводников для управления двигателями, таких как микроконтроллеры (MCU) и встроенные драйверы двигателей, оптимизируют движение роботов, и достижение этой цели сталкивается с четырьмя основными проблемами.
Задача 1: Ужесточение требований безопасности при взаимодействии человека и машины
В прошлом людей и роботов необходимо было строго разделять по соображениям безопасности, часто помещая роботов в клетки. Рост автоматизации требует более тесного сотрудничества и взаимодействия человека и машины. Коллаборативные роботы помогают повысить эффективность работы, но требуют двигателей, которые могут обеспечить безопасную остановку, безопасную скорость, крутящий момент и контроль движения.
Такие устройства, как микроконтроллер C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK, играют решающую роль в обеспечении соответствия требованиям безопасности. Эти устройства сертифицированы на предмет функциональной безопасности и могут включать периферийные устройства безопасности для диагностики, что упрощает конструкцию в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации (ISO) 10218. Что касается аналогового спектра, драйверы интеллектуальных ворот, такие как DRV8353F, могут помочь инженерам достичь своих целей в области безопасности с помощью технических отчетов, сертифицированных TÜV SÜD. Этот вспомогательный документ помогает инженерам выполнить этапы проектирования, необходимые для достижения безопасного отключения по крутящему моменту в соответствии со стандартом IEC 61800-5-2. Будь то микроконтроллер или драйвер затвора, существуют определенные компоненты, которые могут упростить процесс проектирования и обеспечить функционально безопасную двигательную систему.
Задача 2. Уменьшить вес, упростить проводку и снизить затраты за счет децентрализованной архитектуры двигателя.
Электроника двигателей перемещается из шкафов управления и интегрируется непосредственно в соединения роботов, что помогает снизить вес, упростить проводку и снизить затраты на систему. Эта тенденция побудила производителей компонентов разрабатывать решения, которые могут интегрировать больше функций в меньшие по размеру корпуса интегральных схем. Ограничения по пространству также требуют более высокой плотности мощности и энергоэффективности.
Полевые транзисторы на основе нитрида галлия, такие как LMG3422R050, имеют встроенные драйверы затвора, которые могут повысить эффективность силового каскада до более чем 99%, позволяя встроенным двигателям уменьшить или исключить необходимость в радиаторах. Используя периферийные устройства связи в реальном времени и интерфейс абсолютного энкодера, системы, использующие микроконтроллеры, такие как TMS320F28065, могут генерировать широтно-импульсно-модулированные сигналы с пикосекундным разрешением. Эти функции сокращают количество кабелей с более чем 10 кабелей на двигатель до двух шин на всю руку. Использование MCU и GaN FET в этой конфигурации позволяет разработчикам оптимизировать проводное соединение, добавив функциональность однопарного Ethernet через приемопередатчик физического уровня Ethernet, такой как DP83TG721.
Проблема 3. Автоматизация задач точного перемещения требует большей точности и аккуратности.
Миниатюризация продукта повлияла на выбор двигателя (серво, шаговый или бесщеточный двигатель постоянного тока) для многих применений, а сложность управления двигателем и обратной связи по положению возросла, чтобы иметь возможность достичь точного движения, необходимого для взаимодействия с этими небольшими продукты. Инновации в области полупроводников позволяют достичь более высокой точности, необходимой для миниатюризации изделий. Например, датчики тока, такие как AMC3306, имеют напряжение смещения 50 мкВ и встроенный источник питания. Объединение этих функций в одном корпусе повышает точность контура управления и уменьшает общий размер печатной платы.
Задача 4. Оптимизация энергоэффективности мобильных приложений с батарейным питанием
Вместо того, чтобы просто оставаться в одном месте, роботы становятся мобильными, помогая доставлять посылки автономно и безопасно исследовать местность. Нынешние и будущие полупроводники, используемые в приложениях измерения, обработки и управления в реальном времени, должны сочетать высокую производительность и энергоэффективность, чтобы обеспечить разумный срок службы батареи и возможный радиус действия.
Достижение высокой энергоэффективности не должно быть сложным и не требует сложных подходов к проектированию с использованием множества дискретных компонентов. Например, один контроллер двигателя, такой как MCT8316A, может эффективно управлять небольшими двигателями насосов и вентиляторов за счет уменьшения количества энергоемких компонентов в роботе. Это высокоинтегрированное устройство включает в себя шесть полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник, которые образуют полумостовой силовой каскад для подачи тока двигателя, и цифровое ядро, которое обеспечивает простое управление двигателем по лестнице без написания кода.
Каковы дальнейшие перспективы развития управления двигателем?
Роботы будущего будут за пределами воображения. Они могут легко выполнять задачи, которые сегодня кажутся невыполнимыми – часто работая в самых глубоких впадинах океана или отправляясь в неизведанный космос. Новые конструкции, вероятно, будут включать в себя все более совершенные датчики, как мы сейчас наблюдаем в лидарных и ультразвуковых технологиях. То, как мы общаемся с роботами, может даже измениться: от проводных роботов прошлого к более программно-ориентированным решениям сегодня. Повышенная доступность обеспечивает более надежное управление роботами посредством речи, визуального выражения или даже просто мысли. В ходе этой эволюции, по мере развития робототехнических технологий и приложений, должны развиваться и двигатели, необходимые для управления их движениями.