Präzise Motorsteuerung für fortschrittliche robotische Systeme

Ein robotischer Manipulator ist auf drei oder mehr Achsen programmierbar, die die Bewegungen eines Roboters spezifizieren, entweder die Roboterarme oder der Körper. Diese robotischen Manipulatoren werden automatisch gesteuert und sind ohne physische Modifikation umprogrammierbar und an verschiedene Anwendungen des Steuersystems anpassbar. Ursprünglich für raue oder unzugängliche Umgebungen konzipiert, sind heutige Industriesysteme immer komplexer und integrieren Robotik, die viele zuvor manuelle Operationen präziser und schneller ausführt als ein Mensch.

Ein robotisches System besteht primär aus vier Subsystemen: mechanisch, Antrieb, Messung und Steuerung. Eine zentrale Herausforderung ist, dass die Anforderungen an niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment für die Bewegungssteuerung der Gelenke die mechanischen Charakteristiken der Servomotoren nicht effektiv nutzen lässt, was im Gegenteil unter optimalen Betriebsbedingungen hohe Drehzahl und niedriges Drehmoment produziert.

Daher besteht die Funktion einer Antriebseinheit darin, sicherzustellen, dass Drehzahl und Drehmoment der Motoren und Lasten kompatibel sind und die Übertragung von mechanischem Drehmoment vom einen zum anderen ermöglichen. Die Getriebekomponenten ermöglichen auch die Verbesserung der statischen und dynamischen Performance durch Leichtbau der mechanischen Struktur durch Positionierung der Motoren am Roboterbasis.

Die Gelenkbewegung wird Motoren anvertraut, die die gewünschte Bewegung der mechanischen Struktur erlauben. Unter den drei Haupttypen – Permanentmagnet, Gleichstrom (bürstenbehaftet) und elektronische Kommutierung (bürstenlos) – optimiert der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC) die Anforderungen an niedrige Trägheit und hohe Positioniergenauigkeit am besten.

Abbildung 1: Ein bürstenloser Gleichstrommotor (Bild: Portescap)

BLDCs haben keine mechanische Kommutierung im Vergleich zu bürstenbehafteten Motoren, die mechanische Kommutierung verwenden, bei der rotierende Anker mit Bürsten elektrische Verbindungen herstellen.

Die Reduzierung beweglicher Teile gibt bürstenlosen Motoren eine lange Lebensdauer, begrenzt nur durch den Verschleiß der Kugellager. Zudem verbessern die Wicklungen die Wärmeableitung und Überlastkapazität und bieten hohe Effizienz im Vergleich zu anderen DC-Lösungen.

Durch den Wegfall der Bürsten zeigt ein BLDC auch hervorragende Haltbarkeit und geringe Geräusche. Es gibt zwei Hauptstrukturtypen: Surface Permanent Magnet (SPM) und Internal Permanent Magnet (IPM). SPM-Motoren haben die Magnete an der Außenseite der Rotoroberfläche befestigt. IPM-Motoren haben den Permanentmagneten in den Rotor selbst eingebettet.

Gleichstrommotoren und Treiber

BLDCs bieten hohe Effizienz, aber vor allem ausgezeichnete Drehmoment- und Drehzahlwerte, die in vielen Anwendungen genutzt werden. Sie verwenden einen stationären Magneten mit einem rotierenden Anker, der verschiedene Teile kombiniert, um elektronische Kommutierung bereitzustellen.

Das Design eines BLDC zielt darauf ab, das Drehmoment zu optimieren, das die Drehkraft eines Motors darstellt und mit Magneten und Spulenwicklung zusammenhängt. Je größer die Anzahl der Polpaare im Magneten, desto größer das Motordrehmoment.

Ein Beispiel ist Portescaps Ultra-EC-Plattform, bestehend aus drei Familien – ECS, ECT und ECP. Diese bürstenlosen Mini-Motorfamilien können je nach Drehmoment- und Drehzahlerfordernissen in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden. Die patentierte U-Spule bietet minimale Eisenverluste, was gute Effizienz und kühleren Betrieb liefert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Portescaps Ultra EC Motor (Bild: Portescap)

Maxon Motor AGs EC-i bürstenlose Motoren sind in kleinen Durchmessern verfügbar, die für robotische Anwendungen geeignet sind. Sie bieten 30 mm Durchmesser und zeichnen sich durch hochdynamische und hochdrehmomentstarke Eigenschaften aus.

Die EC-i-Familie ist in mehreren Größen erhältlich, jeweils in Standard- und High-Torque-Version, mit maximalem Nenn-Drehmoment von bis zu 110 mNm bei 75 W. In allen Versionen können die EC-i 30 Motoren mit Encodern, Getrieben, Servocontrollern oder Positioniercontrollern erweitert werden (Abbildung 3).

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

STMicroelectronics hat zusammen mit Maxon ein neues Kit entwickelt, um das Design robotischer und industrieller Anwendungen zu beschleunigen. Das EVALKIT-ROBOT-1 Kit bietet präzise Positionierung in robotischen Anwendungen.

Das Kit enthält STs STSPIN32F0A intelligenten Dreiphasen-Controller und eine vollständige Inverter-Stufe, gebaut mit ST-Leistungstransistoren, bereit für Anschluss an den Motor. Der STSPIN32F0A enthält kritische Motorsteuerungsschaltungen, einschließlich eines STM32F031C6 Mikrocontrollers und eines Dreiphasen-Inverter-Treibers in einem kompakten 7 × 7 mm VFQFPN-Gehäuse (Abbildung 4).

Motorsteuerungs-Firmware ermöglicht Designern, den Motor zu starten und Befehle zu senden, um ihr Projekt einfach zu optimieren. Das Kit beinhaltet einen 100-W Maxon BLDC Motor (EC-i 40) mit integriertem 1024-Impuls-Inkremental-Encoder. Ebenfalls enthalten sind Hall-Sensoren für Rotorpositionsdetektion.

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

Ein BLDC-Motor ist recht effizient, aber der Druck, zunehmend strengere Anforderungen zu erfüllen, erfordert von Unternehmen, nicht nur die Konstruktion des Motors, sondern auch den Treiber zu verbessern. Insbesondere arbeiten sie daran, den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren und das thermische Management zu optimieren.

In vielen Fällen beinhalten diese Designs integrierte Treiber, die die Anzahl der externen Komponenten minimieren, und System-on-Chip-Lösungen, die ein hohes Integrationsniveau ermöglichen. Vorteile sind Platz- und Energieeinsparungen, verbesserte Gesamtsystemzuverlässigkeit und reduzierte Kosten.

Da der BLDC keine Struktur hat, um die Stromrichtung mechanisch zu schalten, muss dies elektronisch erfolgen. Die Wellenformen lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: trapezförmig und sinusförmig. Aufgrund von Temperaturbegrenzungen und Kosten gibt es Fälle, in denen die Rotorposition (Magnet) aus dem Dreiphasenstrom oder der induzierten Spannung geschätzt wird, ohne Sensoren zu verwenden.

Treiber müssen korrekte Motorsteuerung gewährleisten, damit sie Geschwindigkeit und Richtung entsprechend in der Applikation steuern können. Moderne Mikrocontroller (MCUs) eignen sich perfekt, um die Leistungs- und Rechenfunktionalität bereitzustellen, die für die Entwicklung hocheffizienter Regelkreise für DC- (und AC-) Elektromotoren benötigt wird.

Viele MCUs unterstützen Signalverarbeitungsfunktionen, die es ermöglichen, komplexe Algorithmen in Echtzeit mit Positionierungsdaten zu verarbeiten. Dies ist wichtig, weil immer mehr Anwendungen versuchen, Sensoren, die Positionsdaten liefern, zu eliminieren. Es gibt viele MCUs, die Peripherie speziell für Motorsteuerungsanwendungen haben.

Zum Beispiel balancieren Renesas Electronics' RL78/G14 Mikrocontroller den Stromverbrauch mit niedrigen Stromverbrauchswerten (66 µA/MHz bei 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 Treiber komplexer. Drehzahl und Drehmoment werden durch das Ein-/Ausschalt-Dauerverhältnis der Transienten gesteuert; normalerweise nimmt dies die Form eines PWM-Signals an, das die Wicklungen ansteuert. Dieser Zustand wird durch den Einsatz von Einphasen-, Zweiphasen- und Dreiphasenmotoren weiter verkompliziert. Heute werden viele integrierte Geräte als Antriebsstufe verwendet. Typischerweise beinhalten sie Gate-Treiber, um externe Leistungs-MOSFETs anzusteuern, die bis zu drei Phasen eines Motors anregen.

Der Motor benötigt einen hohen Strom, während die Steuerungsschaltung mit Niederspannungssignalen arbeitet. So ist die Funktion der Motortreiber, ein Niederspannungs-Steuersignal zu nehmen und es in ein höherspannendes Signal umzuwandeln, das einen Motor antreiben kann.

Infineon Technologies AG bietet eine Vielzahl integrierter Produkte für die Steuerung variabler Drehzahlantriebe. Die iMOTION ICs integrieren alle Steuerungs- und Analog-Interface-Funktionen, die für sensorlose feldorientierte Steuerung (FOC) erforderlich sind. Zusätzlich verfügen sie über den bewährten Motor Control Engine (MCE) Algorithmus des Unternehmens, der Software-Codierung aus dem Steuerprotokoll-Entwicklungsprozess eliminiert.

Ein weiterer Platzsparer sind die Smart Gate Driver von Texas Instruments Inc. (TI). Diese Treiber integrieren passive Komponenten, um Platinengröße, Bauteilanzahl, Komplexität und Designkosten zu reduzieren. Sie ermöglichen Designern auch, Schaltverhalten und elektromagnetische Störungen (EMV) zu optimieren.

In seinem umfangreichen Treiberportfolio bietet TI den DRV8313 mit drei individuell steuerbaren Half-H-Bridge-Treibern. Das Gerät ist für den Antrieb eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors ausgelegt, kann aber auch zum Antrieb von Solenoiden oder anderen Lasten verwendet werden. Ein integrierter Komparator ermöglicht den Aufbau von Strombegrenzungsschaltungen oder anderen Funktionen.

Ein weiteres Beispiel ist der TC78B025FTG bürstenlose dreiphasige Motortreiber-IC mit Closed-Loop-Drehzahlregelung von Toshiba Electronic Devices & Storage Corp. Das Gerät arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 4,5 V bis 16 V und bietet einen Sinusantrieb mit 150° Kommutierung. Der niedrige ON-Widerstand von 0,2 Ω (typ.) reduziert die Selbstaufheizung des ICs während des Betriebs und erweitert so die Unterstützung für hohe Antriebsströme.

Elektrische Isolation

Im Allgemeinen wissen Designer von Elektromotoren, dass sie internationalen Isolationsstandards entsprechen müssen, um Störungen von externen Quellen zu verhindern und die elektrische Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten. Der Einsatz digitaler Isolation bietet mehrere Vorteile, einschließlich schnellerer Ansprechzeit, was die Integration von Überstromschutz und reduzierte Ausfallzeiten ermöglicht. Dies sorgt für eine progressivere Variation der Ausgangsspannungen und verbessert damit die Drehmomentsteuerung.

Da Optokoppler auf optoelektronischer Technologie basieren, sind sie eine extrem robuste Methode, um elektrische Isolation ohne physischen Kontakt zu gewährleisten. Dies bietet viele Vorteile gegenüber dem traditionellen Ansatz auf Basis elektromechanischer Komponenten wie Relais. Hauptvorteile sind verschleißfreier Betrieb, relativ niedrige Kosten ergänzender Komponenten, minimaler Platinenplatz, EMV-Immunität, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.

In Motorantriebsanwendungen erfordern zwei Hauptteile der Schaltung Isolation: der Gate-Treiber für den isolierten Gate-Bipolartransistor (IGBT) (Geräte mit Kollektor und Emitter auf einer Seite und Gate-gesteuert auf der anderen) in Brückeninvertern und die Stromphasendetektion im Motor. Phasenstrommessung bietet Schutz für den IGBT und Rückführung an den Controller, um die Regelung im geschlossenen Stromkreis aufrechtzuerhalten.

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

Die RV1S92xxA und RV1S22xxA Optokoppler 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 Designern, die Größe ihrer robotischen Systeme zu verringern. Dank ihrer verstärkten Isolierung erlauben die RV1S92xxA und RV1S22xxA 200-V- und 400-V-Systeme, Sicherheitsstandards zu übertreffen. Alle Geräte entsprechen den strengen UL61800-5-1 Motorsteuerungsstandards und UL61010-2-201, das für Steuerungssysteme wie SPS gilt (Abbildung 5).

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

Toshibas TLP5214 ist ein hochintegrierter 4-A-Ausgangsstrom IGBT-Gate-Drive-Optokoppler in einem SO16L-Gehäuse. Der TLP5214 verfügt über fortschrittliche integrierte Funktionen wie IGBT-Desaturationsdetektion, isolierte Fehlerstatus-Rückmeldung, weichen IGBT-Abschaltung, aktives Miller-Blocking und Unterspannungsblockierung (UVLO). Er eignet sich für das Ansteuern von IGBTs und Leistungs-MOSFETs in Inverteranwendungen.

Fazit

Ob der Motor in industriellen oder nicht-industriellen Betriebsumgebungen eingesetzt wird, das Design hochwertiger Bewegungssteuerungen mit präzisen Positionierungsfähigkeiten ist komplex und erfordert extrem zuverlässige Antriebslösungen und optimale mechanische Konstruktion.

In jüngeren Jahren wurden Elektromotoren auch mit aufstrebenden robotischen Anwendungen wie Drohnen und Agriculture 4.0 verknüpft, die durch neue Fertigungssysteme wie Rapid Prototyping, dedizierte Betriebssysteme und integrierte Steuerungssysteme beschleunigte Fortschritte gesehen haben.