Entwicklung von Motorsteuerungen für Robotersysteme

Ein Robotermanipulator ist auf drei oder mehr Achsen programmierbar, die die Bewegungen eines Roboters spezifizieren, entweder die Roboterarme oder den Körper. Diese Robotermanipulatoren werden ohne physische Modifikation automatisch gesteuert und umprogrammiert und können an verschiedene Anwendungen des Steuersystems angepasst werden. Ursprünglich für Anwendungen in rauen oder unzugänglichen Umgebungen entwickelt, werden die heutigen Industriesysteme immer komplexer und integrieren Roboter, die viele zuvor manuelle Vorgänge präziser und schneller ausführen, als es ein Mensch tun könnte.

Ein Robotersystem besteht im Wesentlichen aus vier Teilsystemen:Mechanik, Aktor, Messung und Steuerung. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, dass die Anforderungen an niedrige Drehzahlen und hohes Drehmoment für die Bewegungssteuerung der Gelenke eine effektive Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften der Servomotoren nicht zulassen, was im Gegenteil unter optimalen Betriebsbedingungen zu einer hohen Drehzahl und einem niedrigen Drehmoment führt.

Daher besteht die Funktion einer Antriebseinheit darin, sicherzustellen, dass Drehzahl und Drehmoment der Motoren und der Lasten kompatibel sind und die Übertragung mechanischer Drehmomente von einem zum anderen ermöglichen. Die Getriebekomponenten ermöglichen auch eine Verbesserung der statischen und dynamischen Leistung, indem die mechanische Struktur durch die Positionierung der Motoren an der Basis des Roboters erleichtert wird.

Die gemeinsame Bewegung wird Motoren anvertraut, die die gewünschte Bewegung der mechanischen Struktur ermöglichen. Unter den drei Haupttypen – Permanentmagnet-, Gleichstrom- (gebürstet) und elektronische Kommutierungs- (bürstenlose) Elektromotoren – ist der bürstenlose Gleichstrommotor oder BLDC derjenige, der die Anforderungen an geringe Trägheit und hohe Positioniergenauigkeit am besten optimiert.

Abbildung 1:Diagramm eines bürstenlosen Gleichstrommotors (Bild:Portescap)

BLDCs haben keine mechanische Schaltung im Vergleich zu Bürstenmotoren, die mechanische Schaltungen verwenden, bei denen rotierende Anker mit Bürsten verwendet werden, um elektrische Verbindungen herzustellen.

Die Reduzierung der beweglichen Teile verleiht den bürstenlosen Motoren eine lange Lebensdauer, die nur durch den Verschleiß der Kugellager begrenzt wird. Darüber hinaus verbessern die Wicklungen die Wärmeableitung und Überlastfähigkeit und bieten einen hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen DC-Lösungen.

Aufgrund des Fehlens von Bürsten weist ein BLDC auch eine hervorragende Haltbarkeit und ein geringes Rauschen auf. Es gibt zwei Haupttypen von Strukturen:Oberflächen-Permanentmagnet (SPM) und Innen-Permanentmagnet (IPM). Bei SPM-Motoren sind die Magnete an der Außenseite der Rotoroberfläche angebracht. Bei IPM-Motoren hingegen ist der Permanentmagnet in den Rotor selbst eingebettet.

DC-Motoren und -Treiber

BLDCs bieten einen hohen Wirkungsgrad, vor allem aber hervorragende Drehmoment- und Drehzahlwerte, die in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen. Sie verwenden einen stationären Magneten mit einem rotierenden Anker, der verschiedene Teile kombiniert, um ein elektronisches Schalten zu ermöglichen.

Das Design eines BLDC zielt darauf ab, das Drehmoment zu optimieren, das die Drehkraft eines Motors darstellt und sich auf die Magnet- und Spulenwicklung bezieht. Je größer die Polpaarzahl des Magneten ist, desto größer ist das Motordrehmoment.

Ein Beispiel ist die Ultra EC-Plattform von Portescap, die aus drei Familien besteht – ECS, ECT und ECP. Diese bürstenlosen Minimotorenfamilien können je nach Drehmoment- und Drehzahlanforderung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Die patentierte U-Spule bietet minimale Eisenverluste, was für einen guten Wirkungsgrad und einen kühleren Betrieb sorgt (Abbildung 2 ).

Abbildung 2:Ultra EC-Motor von Portescap (Bild:Portescap)

Die bürstenlosen EC-i-Motoren der Maxon Motor AG sind in kleinen Durchmessern erhältlich, die für Roboteranwendungen geeignet sind. Sie bieten einen Durchmesser von 30 mm und zeichnen sich durch hochdynamische und drehmomentstarke Eigenschaften aus.

Die EC-i-Familie ist in mehreren Baugrößen jeweils in einer Standard- und einer High-Torque-Version mit einem maximalen Nenndrehmoment von bis zu 110 mNm bei 75 W erhältlich. In allen Ausführungen sind die EC-i 30-Motoren erweiterbar mit Encodern, Getrieben, Servoreglern oder Positionierreglern (Abbildung 3 ).

Abbildung 3:EC-i-Motor von Maxon Motor (Bild:Maxon Motor)

STMicroelectronics hat zusammen mit Maxon ein neues Kit entwickelt, um das Design von Roboter- und Industrieanwendungen zu beschleunigen. Das EVALKIT-ROBOT-1-Kit bietet eine präzise Positionierung in Roboteranwendungen.

Das Kit enthält den intelligenten Dreiphasenregler STSPIN32F0A von ST und eine komplette Wechselrichterstufe, die mit ST-Leistungstransistoren zum Anschluss an den Motor ausgestattet ist. Der STSPIN32F0A enthält kritische Motorsteuerkreise, einschließlich eines STM32F031C6-Mikrocontrollers und eines dreiphasigen Wechselrichtertreibers in einem kompakten 7 × 7-mm-VFQFPN-Gehäuse (Abbildung 4 ).

Die Motorsteuerungs-Firmware ermöglicht es Konstrukteuren, den Motor zu starten und Befehle zu senden, um ihr Projekt einfach zu optimieren. Das Kit enthält einen 100-W-Maxon-BLDC-Motor (EC-i 40) mit einem eingebauten 1024-Puls-Inkremental-Encoder. Ebenfalls enthalten sind Hallsensoren zur Rotorpositionserkennung.

Abbildung 4:Das ST EVALKIT-ROBOT-1-Entwicklungskit (Bild:STMicroelectronics)

Ein BLDC-Motor ist ziemlich effizient, aber der Druck, immer strengere Anforderungen zu erfüllen, erfordert von Unternehmen, nicht nur die Konstruktion des Motors, sondern auch den Treiber zu verbessern. Sie arbeiten insbesondere daran, den Gesamtenergieverbrauch zu senken und das Wärmemanagement zu optimieren.

In vielen Fällen enthalten diese Designs integrierte Treiber, die die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten minimieren, und System-on-Chip-Lösungen, die ein hohes Maß an Integration ermöglichen. Zu den Vorteilen gehören Platz- und Energieeinsparungen, eine verbesserte Gesamtsystemzuverlässigkeit und geringere Kosten.

Da der BLDC keine Struktur zum mechanischen Umschalten der Stromrichtung besitzt, muss dies elektronisch erfolgen. Die Wellenformen können in zwei Haupttypen unterteilt werden:trapezförmig und sinusförmig. Aufgrund der Temperaturbeschränkungen und der Kosten gibt es Fälle, in denen die Position des Rotors (Magneten) aus dem Drehstrom oder der induzierten Spannung ohne Verwendung der Sensoren geschätzt wird.

Treiber müssen für eine korrekte Motorsteuerung sorgen, damit sie Geschwindigkeit und Richtung in der Anwendung entsprechend steuern können. Moderne Mikrocontroller (MCUs) sind perfekt geeignet, um das Leistungsniveau und die Rechenfunktionalität bereitzustellen, die für die Entwicklung hocheffizienter Regelkreise für Gleichstrom- (und Wechselstrom-) Elektromotoren erforderlich sind.

Viele MCUs unterstützen Signalverarbeitungsfunktionen, die die Verarbeitung komplexer Algorithmen in Echtzeit anhand von Positionsdaten ermöglichen. Dies ist wichtig, da immer mehr Anwendungen versuchen, Sensoren zu eliminieren, die Positionsdaten liefern. Es gibt viele MCUs mit Peripheriegeräten, die speziell für Motorsteuerungsanwendungen entwickelt wurden.

Beispielsweise gleichen die RL78/G14-Mikrocontroller von Renesas Electronics den Stromverbrauch mit einer geringen Stromaufnahme aus (66 μ/MHz im CPU-Betrieb und 240 nA im Standby- oder STOP-Modus) und bieten eine hohe Rechenleistung von 51,2 DMIPS (32 MHz). Die integrierten Sicherheitsfunktionen unterstützen den Sicherheitsstandard IEC/UL 60730 für Haushaltsgeräte.

Bei BLDC-Motoren wird auch der Antrieb komplexer. Drehzahl und Drehmoment werden durch das Ein-/Aus-Dauerverhältnis der Transienten gesteuert; Normalerweise erfolgt dies in Form eines PWM-Signals, das zum Ansteuern der Wicklungen verwendet wird. Diese Bedingung wird durch die Verwendung von einphasigen, zweiphasigen und dreiphasigen Motoren noch komplizierter. Heute werden viele integrierte Geräte als Antriebsstufe verwendet. Typischerweise enthalten sie Gate-Treiber zum Ansteuern externer Leistungs-MOSFETs, die verwendet werden, um bis zu drei Phasen eines Motors zu erregen.

Der Motor benötigt eine hohe Strommenge, während die Controllerschaltung mit Signalen mit niedrigem Strom arbeitet. Die Funktion der Motortreiber besteht also darin, ein Steuersignal mit niedrigem Strom zu nehmen und es dann in ein Signal mit höherem Strom umzuwandeln, das einen Motor antreiben kann.

Die Infineon Technologies AG bietet eine Vielzahl integrierter Produkte zur Steuerung von drehzahlgeregelten Antrieben an. Die iMOTION ICs integrieren alle Steuerungs- und Analogschnittstellenfunktionen, die für die sensorlose feldorientierte Steuerung (FOC) erforderlich sind. Darüber hinaus verfügen sie über den bewährten Motor Control Engine (MCE)-Algorithmus des Unternehmens, der die Softwarecodierung aus dem Entwicklungsprozess des Steuerprotokolls eliminiert.

Ein weiterer Platzsparer sind die Smart Gate-Treiber von Texas Instruments Inc. (TI). Diese Treiber integrieren passive Komponenten, um Platinengröße, Komponentenanzahl, Komplexität und Designkosten zu reduzieren. Sie ermöglichen es Designern auch, die Leistung von Schaltvorgängen und elektromagnetischen Störungen (EMI) zu optimieren.

In seinem umfangreichen Treiberportfolio bietet TI den DRV8313 mit drei einzeln ansteuerbaren Halb-H-Brückentreibern an. Das Gerät ist für den Antrieb eines bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotors ausgelegt, kann aber auch zum Antrieb von Magnetspulen oder anderen Lasten verwendet werden. Ein integrierter Komparator ermöglicht den Aufbau von Strombegrenzungsschaltungen oder anderen Funktionen.

Ein weiteres Beispiel ist der bürstenlose Drehstrommotor-Treiber-IC TC78B025FTG mit Drehzahlregelungsfunktion von Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. Das Gerät arbeitet mit einer Spannungsversorgung im Spannungsbereich von 4,5 V bis 16 V und bietet einen Sinusantrieb mit 150°-Umschaltung. Der niedrige ON-Widerstand von 0,2 Ω (typ.) reduziert die Eigenerwärmung des ICs im Betrieb und erweitert so die Unterstützung auf hohe Ansteuerströme.

Elektrische Isolierung

Im Allgemeinen wissen die Konstrukteure von Elektromotoren, dass sie internationale Isolationsnormen einhalten müssen, um Störungen durch eine externe Quelle zu vermeiden und die elektrische Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten. Die Verwendung der digitalen Isolierung bietet mehrere Vorteile, darunter eine schnellere Reaktion, die die Integration eines Überstromschutzes und reduzierte Ausfallzeiten ermöglicht. Dies sorgt für eine progressivere Variation der Ausgangsspannungen, wodurch die Drehmomentsteuerung verbessert wird.

Da Optokoppler auf optoelektronischer Technologie basieren, stellen sie ein äußerst robustes Verfahren zur berührungslosen galvanischen Trennung dar. Dies bietet viele Vorteile gegenüber dem traditionellen Ansatz, der auf der Verwendung elektromechanischer Komponenten wie Relais basiert. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen verschleißfreier Betrieb, relativ niedrige Kosten für ergänzende Komponenten, minimaler Platz auf der Platine, EMI-Immunität, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.

Bei Motorantriebsanwendungen müssen zwei Hauptteile der Schaltung isoliert werden:die Gate-Ansteuerung für den Bipolartransistor mit isoliertem Gate oder IGBT (Geräte mit einem Kollektor und Emitter auf einer Seite und angesteuert von einem Gate auf der anderen), in Brückenwechselrichtern und die Strom-Phasen-Erkennung im Motor. Die Phasenstromerkennung bietet Schutz für den IGBT und eine Rückmeldung an den Controller, um die Kontrolle über den Strom im geschlossenen Regelkreis aufrechtzuerhalten.

Hier sind einige Beispiele für Optokoppler, die in Roboteranwendungen verwendet werden können:

Die Optokoppler RV1S92xxA und RV1S22xxA mit einer Gehäuselänge von 2,5 mm von Renesas Electronics Corp. ermöglichen eine Reduzierung der PCB-Fläche um 35 % im Vergleich zu ähnlichen Geräten und helfen Entwicklern, die Größe ihrer Robotersysteme zu reduzieren. Dank ihrer verstärkten Isolierung ermöglichen die RV1S92xxA und RV1S22xxA 200-V- und 400-V-Systeme, die Sicherheitsstandards zu übertreffen. Alle Geräte erfüllen die strengen Motorsteuerungsstandards UL61800-5-1 und UL61010-2-201, die für Steuerungssysteme wie SPS gelten ( Abbildung 5 ).

Abbildung 5:Querschnittsansicht der RV1S92xxA und RV1S22xxA von Renesas Electronics (Bild:Renesas)

Der TLP5214 von Toshiba ist ein hochintegrierter IGBT-Gate-Drive-Optokoppler mit 4 A Ausgangsstrom in einem SO16L-Gehäuse. Der TLP5214 verfügt über fortschrittliche integrierte Funktionen wie IGBT-Entsättigungserkennung, isolierte Fehlerstatusrückmeldung, sanfte IGBT-Abschaltung, aktive Miller-Blockierung und Unterspannungsblockierung (UVLO). Es eignet sich zum Ansteuern von IGBTs und Leistungs-MOSFETs, die in Wechselrichteranwendungen verwendet werden.

Schlussfolgerung

Unabhängig davon, ob der Motor in industriellen oder nicht-industriellen Betriebsumgebungen eingesetzt wird, ist das Design von High-End-Bewegungssteuerungen mit genauen Positionierungsmöglichkeiten komplex und erfordert äußerst zuverlässige Antriebslösungen und eine optimale mechanische Konstruktion.

In den letzten Jahren wurden Elektromotoren auch mit aufkommenden Roboteranwendungen wie Drohnen und Landwirtschaft 4.0 in Verbindung gebracht, die dank neuer Fertigungssysteme wie Rapid Prototyping, dedizierter Betriebssysteme und integrierter Steuerungssysteme einen beschleunigten Fortschritt erfahren haben.