導(dǎo)言

電機作為工業(yè)自動化市場的支柱，其核心地位源于大多數(shù)應(yīng)用均涉及運動或旋轉(zhuǎn)場景。從機器人、傳送系統(tǒng)到零件操縱器，從物料搬運設(shè)備、風(fēng)扇到手臂工具、檢測機器，再到線性運動執(zhí)行器等，相關(guān)應(yīng)用場景極為廣泛。而這些應(yīng)用的落地，需要傳感器、控制器與執(zhí)行器構(gòu)成的整體生態(tài)系統(tǒng)支撐。在機器人及工業(yè)自動化領(lǐng)域，根據(jù)具體應(yīng)用需求，通常會采用有刷直流電機、無刷直流電機和步進(jìn)電機等專用電機。本文聚焦于低至中等功率范圍的專用電機，深入探討其在各類應(yīng)用中面臨的不同挑戰(zhàn)與特定需求。

自動化市場趨勢

自動化市場歷來是一個 12V 市場，具有確保系統(tǒng)可靠性和降低整體維護(hù)成本的安全需求。然而，為了實現(xiàn)更高的功能性能、提供更高的功率吞吐量、提高系統(tǒng)效率并降低成本，同時滿足工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，一些關(guān)鍵趨勢正在興起。

向 48V 轉(zhuǎn)變：與傳統(tǒng)的 12V 驅(qū)動器相比，轉(zhuǎn)向 48V 驅(qū)動系統(tǒng)可將電流和功耗減少至 25%。這增加了系統(tǒng)負(fù)載能力，可以處理更重的負(fù)載并執(zhí)行更苛刻的任務(wù)，例如提升更重的組件。此外，更低的電流要求意味著更便宜的布線、更少的熱量散失，以及通過消耗更少能源實現(xiàn)的整體長期成本節(jié)約。

創(chuàng)新集成：許多解決方案將電機驅(qū)動、編碼和制動系統(tǒng)組合到一個單元中，以簡化設(shè)計、減少元件數(shù)量、降低布線復(fù)雜度，并有效減輕微處理器的計算壓力。通過集成化系統(tǒng)設(shè)計方法和菊花鏈通信等部署概念，允許多個機器人單元構(gòu)建高效通信鏈路。

安全至上：UL2595 和 UL1740 等國際標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)了電池供電設(shè)備的通用安全要求，ISO13482 和 ISO10218 等 ISO 標(biāo)準(zhǔn)針對工業(yè)機器人的安全要求。然而，隨著機器人變得越來越復(fù)雜和自主化，硬件設(shè)計中的安全性對于傳感器和機器人感知失敗的情況仍然至關(guān)重要。因此，ISO10218、IEC61508 和 ANSI / RIA R15.08 等標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格更新預(yù)計將強調(diào)自動化中的安全需求。

伺服電機需求和挑戰(zhàn)

伺服機構(gòu)廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，通過旋轉(zhuǎn)或直線執(zhí)行器實現(xiàn)角度/線位移、速度及加速度的精確控制。其區(qū)別于常規(guī)電機的核心在于采用閉環(huán)反饋機制，以確保輸出軸準(zhǔn)確到達(dá)所需位置。有刷直流電機、無刷直流電機 (BLDC) 和步進(jìn)電機通常用于機器人、線性傳輸系統(tǒng)和多軸伺服驅(qū)動器等低到中等功率應(yīng)用中的伺服電機驅(qū)動器解決方案。

1有刷直流電機

有刷直流電機依賴碳刷和機械換向器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運轉(zhuǎn)，如圖 1 所示。這些電機的核心優(yōu)勢是電機本身和電子元件成本較低，且電控系統(tǒng)設(shè)計涉及的復(fù)雜性較低。然而機械電刷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其存在?電火花干擾與噪聲問題?，限制了在高功率及噪聲敏感場景的應(yīng)用。該電機需頻繁維護(hù)，且?使用壽命相對較短?，典型應(yīng)用包括直線運動裝置、傳送帶系統(tǒng)及部件操作裝置。

圖 1：有刷直流電機圖

有刷直流電機可以由兩個半橋驅(qū)動器、一個全橋驅(qū)動器或帶有集成或外部 FET 的多全橋驅(qū)動器驅(qū)動。根據(jù)安全和系統(tǒng)架構(gòu)需求，具有額外保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動器有助于確保系統(tǒng)可靠性并最大限度地減少外部硬件組件要求。此外，半橋或 BLDC 電機驅(qū)動器可以選擇集成高精度電流感應(yīng)功能，以提供位置精度閉環(huán)反饋并減小整體系統(tǒng)解決方案尺寸。

表 1：Allegro 在機器人領(lǐng)域的直流電機解決方案

2無刷直流電機

無刷直流電機更適合需要更低噪聲和更高性能的應(yīng)用，以支持成本敏感度較低的高速或高扭矩操作。這些應(yīng)用包括機器人關(guān)節(jié)、風(fēng)扇、物料搬運設(shè)備、傳送帶、零件操縱器和線性運動。這些電機具有高效率、高磁通密度、低維護(hù)要求、低電磁干擾 (EMI)、高堅固性和寬范圍速度控制等優(yōu)點。與有刷直流電機不同，機器人位置信息必須用于控制 BLDC 電機的電子換向。這種轉(zhuǎn)子位置通常通過霍爾傳感器（通常是霍爾鎖存器或位置/角度傳感器）或編碼器進(jìn)行感應(yīng)。

圖 2：無刷直流電機圖

BLDC 電機控制根據(jù)位置反饋通常分為兩種類型：有傳感器和無傳感器。有傳感器 BLDC 電機依靠霍爾效應(yīng)傳感器、位置傳感器或角度傳感器直接測量轉(zhuǎn)子的位置。這些傳感器通常嵌入在電機內(nèi)部，并產(chǎn)生與磁場方向相對應(yīng)的信號，控制器據(jù)此信號激活定子對應(yīng)繞組，實現(xiàn)精準(zhǔn)換相。

有傳感器控制算法的主要優(yōu)點是精確換向、平穩(wěn)的低速運行、簡化的控制邏輯和可靠的啟動，如圖 3 所示。然而由于需要額外的傳感器，需要增加硬件成本并確保其在噪聲環(huán)境中的可靠性。電機的高速運行受到位置傳感器更新速率的限制。

圖 3：使用外部霍爾傳感器反饋的有傳感器 BLDC 控制

無傳感器 BLDC 電機通過監(jiān)測電機繞組產(chǎn)生的反電動勢來間接估計轉(zhuǎn)子位置。反電動勢電壓隨轉(zhuǎn)子位置而變化，提供有關(guān)其角位移的信息。存在各種無傳感器技術(shù)，包括過零檢測、反電動勢積分和基于觀測器的方法，以準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置，如圖 4 所示。這種控制技術(shù)提供了改進(jìn)的可靠性性能，因為無需霍爾傳感器，從而消除了與傳感器振動和線束相關(guān)的問題，并降低了成本，并有可能達(dá)到更高的速度。然而，整體算法復(fù)雜性增加，這反過來增加了控制器成本，并且對電機參數(shù)的高度依賴需要額外校準(zhǔn)。此外，在較低速度下，反電動勢的估計具有挑戰(zhàn)性，這導(dǎo)致啟動問題和較低速度下的性能不佳。雖然無傳感器控制具有成本效益、外形尺寸更小，并提高了可靠性。

圖 4：電機繞組反電動勢測量技術(shù)對比圖

無傳感器無刷直流電機中的算法復(fù)雜性還取決于反電動勢的類型，如圖 5 所示。梯形反電動勢 BLDC 電機的控制算法比正弦波反電動勢 BLDC 電機更容易實現(xiàn)。梯形波反電動勢 BLDC 電機在高速度和高扭矩應(yīng)用中更受歡迎，其中噪聲非主要限制因素，而正弦波反電動勢 BLDC 電機用于更復(fù)雜和高性能的應(yīng)用。還有更專業(yè)的算法，例如磁場定向控制 (FOC)，用于提高正弦反電動勢 BLDC 電機的效率。

圖 5：電機控制算法基于反電動勢特性構(gòu)建

無刷直流電機可以由三組半橋驅(qū)動器或一個集成/外置 FET 的三相 BLDC 驅(qū)動器?驅(qū)動。根據(jù)系統(tǒng)安全和架構(gòu)需求，具有額外保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動器有助于提高系統(tǒng)可靠性并最大限度地減少外部硬件組件要求。此外，半橋/BLDC 電機驅(qū)動器可以選擇集成高精度電流檢測放大器，以進(jìn)一步降低 BOM 成本并減小整體系統(tǒng)解決方案尺寸。

此外，免代碼 BLDC 驅(qū)動器提供集成有傳感器或無傳感器電機控制解決方案，可釋放 MCU 算力，其效率相較傳統(tǒng) MCU 生成 PWM 信號控制 MOSFET 的方案顯著提升。

表 2：Allegro 在機器人領(lǐng)域的無刷直流電機解決方案

3步進(jìn)電機

步進(jìn)電機通常用于低速、低功率和精確位置控制場景。步進(jìn)電機的主要優(yōu)點包括更高的保持和低速扭矩、高可靠性和與伺服電機相比更低的成本。然而，步進(jìn)電機效率不高；因此將其用于更高功率應(yīng)用并不劃算。

此外，由于它們使用開環(huán)控制，無閉環(huán)反饋導(dǎo)致系統(tǒng)無法檢測?失步?或?堵轉(zhuǎn)狀態(tài)?。因此，步進(jìn)電機適用于非關(guān)鍵和成本敏感應(yīng)用中，但仍需要位置精度，例如機床。

圖 6：單極電機與雙極步進(jìn)電機接線圖

在各種步進(jìn)電機類別中，單極和雙極步進(jìn)電機最常見，如圖 6 所示。單極步進(jìn)電機用于高速、高扭矩應(yīng)用，但需要微步進(jìn)才能實現(xiàn)開環(huán)位置控制。另一方面，雙極步進(jìn)電機由于易于電流控制和更好的低速性能而變得越來越普遍。

步進(jìn)電機可以由雙 H 橋驅(qū)動器或帶有專用步進(jìn)控制的步進(jìn)驅(qū)動器驅(qū)動，使用集成或外部 FET。根據(jù)安全和系統(tǒng)架構(gòu)需求，具有額外保護(hù)和診斷功能的驅(qū)動器有助于確保系統(tǒng)可靠性并最大限度地減少外部硬件組件要求。此外，步進(jìn)驅(qū)動器可以選擇集成強大的保護(hù)功能，例如失速檢測、開路負(fù)載或短路到電池和接地，以便在處理大負(fù)載時執(zhí)行位置控制。

表 3：Allegro 在機器人領(lǐng)域的步進(jìn)電機解決方案

4伺服電機驅(qū)動器

伺服電機驅(qū)動器用于工業(yè)自動化應(yīng)用中的精確位置和速度控制。伺服電機驅(qū)動器涉及閉環(huán)位置和速度控制，并實施編碼器反饋，以允許實時調(diào)整速度和位置，從而即使在動態(tài)負(fù)載情況下也能確保精確和穩(wěn)定的運動。傳統(tǒng)上，有刷直流電機已用于伺服驅(qū)動器，但現(xiàn)在，BLDC 電機在伺服應(yīng)用中更受歡迎。伺服驅(qū)動器的主要優(yōu)點是寬速度范圍、快速響應(yīng)、平穩(wěn)控制、高可靠性、精確的位置和速度控制、高能效、易于集成以及易于多軸控制的同步。伺服電機應(yīng)用類似于 BLDC 電機，但更適用于精度和時序至關(guān)重要的場合。這些包括精密機器人、物料搬運設(shè)備、零件操縱器、線性運動控制系統(tǒng)等等。圖 7顯示了伺服電機驅(qū)動器的框圖。

圖 7：伺服電機驅(qū)動器

伺服電機的控制回路實現(xiàn)涉及使用多個傳感器反饋回路，這會帶來更高的維護(hù)要求和環(huán)境敏感因素。多軸控制會進(jìn)一步增加復(fù)雜性，這需要高速微處理器與兩個或更多伺服電機進(jìn)行實時通信和控制。這些因素會影響驅(qū)動系統(tǒng)的整體實施、安全性和維護(hù)成本。然而，由于高性能、精確的位置控制和快速響應(yīng)時間，伺服電機仍然是工業(yè)自動化應(yīng)用的熱門選擇。

Allegro工業(yè)自動化電機驅(qū)動方案

Allegro 提供全面的電機驅(qū)動解決方案，包括集成功率級或柵極驅(qū)動器級兩種配置方案。集成功率級的器件可以處理高達(dá)約 2 到 3A 的典型電機電流，而柵極驅(qū)動器可用于驅(qū)動外部 MOSFET，根據(jù)柵極電流強度支持更高的功率。