【導(dǎo)讀】機器人系統(tǒng)可自動執(zhí)行重復(fù)性任務(wù),承擔(dān)復(fù)雜而費力的作業(yè),并在對人類有危險或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強的微控制器 (MCU) 可實現(xiàn)更高的功率效率、更平穩(wěn)安全的運動以及更高的精度,從而提高生產(chǎn)力和自動化水平。例如,更高的精度(有時在 0.1mm 以內(nèi))對于處理激光焊接、精密涂層或噴墨或 3D 打印的應(yīng)用非常重要。
機器人系統(tǒng)可自動執(zhí)行重復(fù)性任務(wù),承擔(dān)復(fù)雜而費力的作業(yè),并在對人類有危險或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強的微控制器 (MCU) 可實現(xiàn)更高的功率效率、更平穩(wěn)安全的運動以及更高的精度,從而提高生產(chǎn)力和自動化水平。例如,更高的精度(有時在 0.1mm 以內(nèi))對于處理激光焊接、精密涂層或噴墨或 3D 打印的應(yīng)用非常重要。
機械臂的軸數(shù)以及所需的控制架構(gòu)類型(集中式或分布式)決定了適合該系統(tǒng)的 MCU 或電機控制集成電路 (IC)?,F(xiàn)代工廠組合使用具有不同軸數(shù)和運動自由度(在 x、y 或 z 平面上移動和旋轉(zhuǎn))的機器人,以滿足不同制造階段的需求;因此,整個工廠車間采用不同的控制架構(gòu)。
在選擇 MCU 時,選擇具有額外性能余量的MCU能夠在未來實現(xiàn)可擴展性和支持附加功能。在設(shè)計過程中,提前規(guī)劃可擴展性和附加功能也可以節(jié)省成本和時間,降低復(fù)雜性。
本文將探討集中式和分布式(或稱分散式)這兩種電機控制架構(gòu),以及實現(xiàn)這兩種架構(gòu)的集成實時 MCU 的設(shè)計注意事項。
集中式架構(gòu)
在集中式系統(tǒng)中,一個 MCU 用于控制多個軸。這種方法能在需要大型散熱器和冷卻風(fēng)扇的較高功率電機驅(qū)動器(通常超過 2kW 至 3kW)中,有效解決散熱問題。在此架構(gòu)中,位置數(shù)據(jù)通常通過連接到編碼器的旋轉(zhuǎn)變壓器板或聚合器從外部獲取。
通常,在這種架構(gòu)中,多個功率級位于同一 PCB 上或距離很近,因此一個 MCU 可以控制多個軸。這種方法簡化了多軸之間的實時控制和同步,因為多個電機控制 MCU 之間不需要較長的通信線路。
集中式架構(gòu)中的電機控制 MCU/MPU 需要具備高性能實時處理內(nèi)核(如 R5F 內(nèi)核或 DSP)、實時通信接口(如 EtherCAT)、充足的 PMW 通道以及用于電壓和電流檢測的外設(shè)。AM243x 等 MCU 可構(gòu)建可擴展的多軸系統(tǒng),為多達(dá)六個軸提供實時控制外設(shè),并在單芯片中實現(xiàn)實時通信。
過去,F(xiàn)PGA 或 ASIC 器件主要用于自動化系統(tǒng)中的集中式電機控制。但是,基于 Arm Cortex 的現(xiàn)代 MCU(如 AM243x)近年來越來越受到青睞。這些 MCU 具有高集成度和成本效益,有助于設(shè)計人員滿足其系統(tǒng)的性能要求,同時實現(xiàn)設(shè)計的可擴展性和靈活性。
雖然集中式控制架構(gòu)可以滿足重有效載荷工業(yè)機器人等大功率自動化系統(tǒng)的性能和效率設(shè)計要求,但這些系統(tǒng)需要使用額外電纜,連接機柜和關(guān)節(jié)的機械電機,以及位置傳感器和聚合器。這些電線不僅成本高昂,而且容易磨損,需要維護。
圖 1:適用于多軸系統(tǒng)的分散式電機控制架構(gòu)的方框圖
分散式或分布式架構(gòu)
最近,分散式或分布式架構(gòu)(圖 2)在具有較低功耗要求的系統(tǒng)中越來越受歡迎,并已成為協(xié)作機器人機械手的標(biāo)準(zhǔn)方法。
分散式架構(gòu)將多個單軸電機驅(qū)動集成到機器人的每個關(guān)節(jié)中,并通過 EtherCAT 等實時通信接口進行連接和同步。通常每個驅(qū)動控制一個軸,并在本地處理某些安全功能。因此,每個 MCU 都需要實時控制和通信功能、單軸電機控制外設(shè)、三到六個 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器或 Δ-Σ 調(diào)制器輸入。
在這些應(yīng)用中,位置傳感器通??拷?nbsp;MCU ,因此這些 MCU 需要一個數(shù)字或模擬接口來讀取位置傳感器的數(shù)據(jù)。雖然這種架構(gòu)需要更多的 MCU,但由于電源總線和通信接口之間的布線需求較少,因此可以大幅降低系統(tǒng)級成本?,F(xiàn)代實時 MCU(如 F28P65x)不僅集成了所有必要的外設(shè),還集成了安全外設(shè),從而為分散式架構(gòu)中的集成軸提供單芯片或雙芯片解決方案,并以較小的尺寸實現(xiàn)高性能。
圖2:適用于單軸系統(tǒng)的分散式電機控制架構(gòu)的方框圖
結(jié)語
雖然電機在機器人領(lǐng)域可能并非當(dāng)下最熱門的選擇(尤其是與支持人工智能的系統(tǒng)相比),但它們是維持工廠運轉(zhuǎn)的“肌肉”,也是現(xiàn)代制造業(yè)中至關(guān)重要的部分,因此選擇合適的控制器件時需要進行多番考量。隨著這些器件集成度的提升,邊緣計算和無線連接等附加功能可能會融入電機控制設(shè)計中。
(來源:德州儀器)
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