機(jī)器人系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，承擔(dān)復(fù)雜而費(fèi)力的作業(yè)，并在對(duì)人類有危險(xiǎn)或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強(qiáng)的微控制器(MCU)可實(shí)現(xiàn)更高的功率效率、更平穩(wěn)安全的運(yùn)動(dòng)以及更高的精度，從而提高生產(chǎn)力和自動(dòng)化水平。例如，更高的精度(有時(shí)在0.1mm以內(nèi))對(duì)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(jī)械臂的軸數(shù)以及所需的電機(jī)控制架構(gòu)類型(集中式或分布式)決定了適合該電機(jī)系統(tǒng)的MCU或電機(jī)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(yùn)動(dòng)自由度(在 x、y 或 z 平面上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn))的機(jī)器人，以滿足不同制造階段的需求;因此，整個(gè)工廠車間采用不同的電機(jī)控制架構(gòu)。
在選擇MCU時(shí)，選擇具有額外性能余量的MCU能夠在未來(lái)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和支持附加功能。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，提前規(guī)劃可擴(kuò)展性和附加功能也可以節(jié)省電機(jī)成本和時(shí)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(jī)控制架構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)這兩種電機(jī)控制架構(gòu)的集成實(shí)時(shí)MCU的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
集中式架構(gòu)
在集中式電機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)MCU用于控制多個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器(通常超過(guò)2kW至3kW)中，有效解決電機(jī)散熱問(wèn)題。在此架構(gòu)中，位置數(shù)據(jù)通常通過(guò)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，在這種電機(jī)控制架構(gòu)中，多個(gè)功率級(jí)位于同一PCB上或距離很近，因此一個(gè)MCU可以控制多個(gè)軸。這種方法簡(jiǎn)化了多軸之間的實(shí)時(shí)電機(jī)控制和同步，因?yàn)槎鄠�(gè)電機(jī)控制MCU之間不需要較長(zhǎng)的通信線路。
集中式電機(jī)控制架構(gòu)中的電機(jī)控制MCU/MPU需要具備高性能實(shí)時(shí)處理內(nèi)核(如R5F內(nèi)核或DSP)、實(shí)時(shí)通信接口(如EtherCAT)、充足的PMW通道以及用于電壓和電流檢測(cè)的外設(shè)。AM243x等MCU可構(gòu)建可擴(kuò)展的多軸系統(tǒng)，為多達(dá)六個(gè)軸提供實(shí)時(shí)電機(jī)控制外設(shè)，并在單芯片中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。
過(guò)去，F(xiàn)PGA或ASIC器件主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中的集中式電機(jī)控制。但是，基于Arm Cortex的現(xiàn)代MCU(如AM243x)近年來(lái)越來(lái)越受到青睞。這些MCU具有高集成度和成本效益，有助于電機(jī)設(shè)計(jì)人員滿足其電機(jī)系統(tǒng)的性能要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和靈活性。
雖然集中式電機(jī)控制架構(gòu)可以滿足重有效載荷工業(yè)機(jī)器人等大功率自動(dòng)化電機(jī)系統(tǒng)的性能和效率設(shè)計(jì)要求，但這些電機(jī)控制系統(tǒng)需要使用額外電纜，連接機(jī)柜和關(guān)節(jié)的機(jī)械電機(jī)，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(hù)。
圖1：適用于多軸系統(tǒng)的分散式電機(jī)控制架構(gòu)的方框圖
分散式或分布式架構(gòu)
最近，分散式或分布式電機(jī)控制架構(gòu)(圖2)在具有較低功耗要求的電機(jī)系統(tǒng)中越來(lái)越受歡迎，并已成為協(xié)作機(jī)器人機(jī)械手的標(biāo)準(zhǔn)方法。
分散式架構(gòu)將多個(gè)單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成到機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)中，并通過(guò)EtherCAT等實(shí)時(shí)通信接口進(jìn)行連接和同步。通常每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制一個(gè)軸，并在本地處理某些安全功能。因此，每個(gè)MCU都需要實(shí)時(shí)控制和通信功能、單軸電機(jī)控制外設(shè)、三到六個(gè)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。
在這些電機(jī)應(yīng)用中，位置傳感器通�？拷麺CU ，因此這些MCU需要一個(gè)數(shù)字或模擬接口來(lái)讀取位置傳感器的數(shù)據(jù)。雖然這種電機(jī)控制架構(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(jí)成本。現(xiàn)代實(shí)時(shí)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)，從而為分散式電機(jī)控制架構(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(shí)現(xiàn)高性能。
圖2：適用于單軸系統(tǒng)的分散式電機(jī)控制架構(gòu)的方框圖
結(jié)語(yǔ)
雖然電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域可能并非當(dāng)下最熱門(mén)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(yùn)轉(zhuǎn)的“肌肉”，也是現(xiàn)代制造業(yè)中至關(guān)重要的部分，因此選擇合適的電機(jī)控制器件時(shí)需要進(jìn)行多番考量。隨著這些器件集成度的提升，邊緣計(jì)算和無(wú)線連接等附加功能可能會(huì)融入電機(jī)控制設(shè)計(jì)中。 |
