Электропривод для робототехники: решения Infineon
| Автор | Сообщение |
|---|---|
admin
|
|
|
В 1980 году Япония первой поставила производство роботов на коммерческую основу. С тех пор спрос на них постоянно растет. Благодаря искусственному интеллекту современные роботы способны самостоятельно обучаться новым навыкам, необходимым для решения поставленных задач, постепенно выполняя все большее количество рутинной работы. В настоящее время робототехника, которая, по прогнозам, должна стать основой четвертой промышленной революции, проходит очередной этап бурного развития. Оснащенные искусственным интеллектом новые поколения роботов уже не представляют такой опасности для человека, как промышленные автоматы. Сегодня коллаборативные роботы (коботы) активно интегрируются в общество, помогая людям в самых разнообразных сферах. Объединяясь в информационные сети, эти устройства способны не только передавать информацию об изменениях рабочих условий, но и самостоятельно обучать другие аппараты новым приобретенным навыкам. Одной из основных частей любого робота является привод, без которого он не сможет выполнить ни одного движения. Теоретически, можно использовать любой тип привода – гидравлический, пневматический, пьезокерамический, «воздушные мышцы» и другие, – однако наибольшее распространение получил привод на основе электродвигателей. Электродвигатели могут осуществлять вращательное или линейное движение, движение без цели или точное позиционирование (шаговые двигатели), однако в составе любого электродвигателя есть как минимум одна обмотка, в которой необходимо формировать и поддерживать ток заданной величины. Если таких обмоток несколько, как, например, в бесщеточных (бесколлекторных) или шаговых двигателях, токи в обмотках необходимо формировать по строго определенному алгоритму. Таким образом управление приводами робота превращается в достаточно серьезную техническую задачу, решить которую без использования современных силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров очень сложно. Типы роботов Роботы-помощники (рисунок 1) предназначены для выполнения определенной задачи, например, уборки помещения или стрижки газонов. Несмотря на ограниченный круг задач и кажущуюся простоту, внутреннее устройство и алгоритмы управления подобными устройствами крайне сложны, ведь они функционируют параллельно с человеком в постоянно меняющихся условиях, к которым необходимо оперативно адаптироваться. К роботам-помощникам относятся также роботы-гуманоиды (робот-гид, робот-швейцар, робот-официант, и прочие), популярность которых растет с каждым годом. Особенностью роботов-гуманоидов является подражание человеку в перемещении на двух конечностях, что требует применения сложнейших систем ориентирования в пространстве и поддержания равновесия.
Рис. 1. Домашний робот-уборщик
Рис. 2. Промышленные роботы
Рис. 3. Складские роботы
Рис. 4. Примеры коботов: а) механизированная рука; б) робот-официант
Рис. 5. Архитектура робота
Рис. 6. Структурная схема робота В эпоху беспроводных способов заряда, когда приемная антенна зарядного устройства является одновременно и каналом передачи данных, кроме чисто физических аспектов безопасности, таких как контроль напряжений и токов, подсистема питания должна обеспечивать еще и защиту информационных каналов. Для этой цели компания Infineon предлагает инновационные контроллеры семейства OPTIGA™, обеспечивающие аппаратное шифрование передаваемых данных 128-разрядными ключами на основе эллиптических кривых. На физическом уровне безопасную работу аккумулятора вместе со всеми вспомогательными функциями, например, контролем уровня заряда, можно обеспечить с помощью микроконтроллеров общего назначения семейства XMC1000 на базе процессора ARM®-Cortex™-M0 и низковольтных MOSFET серий OptiMOS™ и StrongIRFET™. Помимо контроля аккумуляторной батареи подсистема питания поддерживает работу всех системных питающих шин. Узлы роботов обычно питаются стандартными напряжениями 3,3, 5 и 12 В, однако в общем случае количество и уровень напряжений питающих шин может отличаться. В номенклатуре компании Infineon присутствует множество решений, позволяющих с успехом реализовать эту задачу – начиная от контроллеров понижающих преобразователей, например, IFX90121 и IFX91041, и заканчивая компенсационными стабилизаторами с фиксированным или регулируемым выходом, такими как IFX1763, IFX54441, IFX54211 или IFX30081. Модули беспроводной связи (Wireless communication modules) обеспечивают возможность передачи информации между роботом и другими системами, в качестве которых могут выступать другие роботы или устройства управления. Именно этот узел позволяет управлять автономным мобильным автоматом в режиме реального времени. В большинстве случаев модуль беспроводной связи является практически единственным каналом связи робота с внешним миром, а его наличие для некоторых систем, например, для складских роботов, которые должны постоянно обмениваться информацией о своем местоположении, является обязательным. Человеко-машинный интерфейс (Human machine interface, HMI) необходим для взаимодействия робота с людьми. В качестве этого узла могут выступать различные устройства, начиная от простых светодиодных индикаторов, которыми можно управлять с помощью специализированных драйверов Infineon, например, BCR430U, и заканчивая сенсорными дисплеями и системой распознавания жестов. Роботы с интеллектуальными функциями должны взаимодействовать с пользователем на аудиовизуальном уровне, поэтому им необходимы как входные, так и выходные аудиоустройства. Например, образовательные роботы должны иметь как минимум один динамик и несколько микрофонов. Эти функции также можно реализовать на основе решений Infineon: управлять динамиками можно с помощью высокоэффективных усилителей класса D IR43xx семейства PowIRaudio™, а в качестве акустических датчиков использовать компактные MEMS-микрофоны семейства XENSIV™, обладающие высоким значением отношения «сигнал/шум» и малым коэффициентом нелинейных искажений. Датчики (Sensors) являются одними из самых сложных и ответственных узлов, ведь роботы должны с высокой точностью определять как свое местоположение в окружающем пространстве, так и состояние механической части приводов. Наиболее часто в роботах используются датчики положения (на основе эффекта Холла или энкодеры), скорости, угла и величины тока. Для ориентации в пространстве необходимы радиолокационные модули, измерители параметров движения (расстояние, направление), атмосферного давления, а если робот должен распознавать образы – в его состав должны обязательно входить видеокамеры для получения объемного изображения. Зарядное устройство (Battery charger) в общем случае может быть внешним или внутренним. В последнем случае для пополнения энергии робот может напрямую подключаться к сети переменного тока, что бывает весьма удобно на практике. Для сетевых зарядных устройств компания Infineon предлагает широкий спектр решений, начиная от высоковольтных MOSFET семейства CoolMOS™ и драйверов затворов серии EiceDRIVER™ и заканчивая интегрированными контроллерами CoolSET™. Относительно новым, но набирающим все большую популярность направлением в робототехнике является использование беспроводных методов заряда, позволяющее пополнять запасы энергии во время работы. Это особенно актуально для приложений с непрерывным циклом работы, ведь в подобных системах время зарядки – это время простоя. Подобную технологию также можно реализовать на основе решений компании Infineon, используя контроллеры семейства XMC1000 на основе ядра ARM® Cortex™-M0, коммутаторы питания из серии OptiMOS™ 3, например, BSC12DN20NS3, а также драйверы для выходных каскадов полумостовых усилителей класса D или драйверы нижнего плеча для усилителей класса E, например, 1EDN8511B. Драйверы приводов, как и датчики, являются одними из самых обширных классов узлов. Ознакомившись с разнообразием видов роботов, можно оценить и количество существующих типов приводов. Например, для роботизированной газонокосилки или служебного робота, от которых не требуется высокая скорость перемещения, достаточно привода на основе коллекторного двигателя с мощностью всего несколько сотен ватт. А вот для кобота, манипулятор которого может иметь 5…7 степеней свободы, уже необходим прецизионный расчет крутящего момента с точным контролем положения и прилагаемого усилия, и здесь лучше всего использовать привод на основе бесщеточных двигателей с полным комплектом необходимых датчиков. В некоторых случаях в роботах могут одновременно использоваться несколько типов приводов, для управления которыми, соответственно, необходимо и несколько типов драйверов. Например, в роботе-пылесосе недорогой коллекторный двигатель может использоваться для перемещения в пространстве, в то время как для обеспечения высокой скорости воздушного потока, необходимого для создания вакуума, скорее всего, будет применен мощный бесщеточный двигатель. Особенности использования полупроводниковых приборов в устройствах управления приводами Независимо от типа приводов, управление ими было бы затруднительно без использования современных полупроводниковых приборов. До появления мощных высокочастотных транзисторов управление двигателями осуществлялось с помощью электромагнитных реле, а регулировка мощности производилась реостатным методом, что очень негативно влияло на КПД системы, впрочем, как и на остальные технические характеристики. Только с появлением мощных MOSFET, IGBT и биполярных транзисторов в комбинации с микроконтроллерным управлением стало возможным прецизионное управление основными параметрами движения: частотой вращения, скоростью и мощностью. Поэтому можно смело утверждать, что без современных силовых полупроводниковых приборов появление такого многообразия роботов было бы практически невозможно. При малых напряжениях питания (до 100 В) для управления электродвигателями обычно используются MOSFET, которые благодаря резистивному характеру сопротивления открытого канала обладают меньшими потерями, чем транзисторы других типов. По мере увеличения максимально допустимого напряжения «сток-исток» сопротивление открытого канала MOSFET увеличивается, поэтому для управления мощными двигателями, питающимися высоким напряжением, используются IGBT. Из-за больших потерь при управлении мощные биполярные транзисторы используются в случаях, когда необходимо управлять высоковольтной нагрузкой с высокой частотой. По этой причине в драйверах двигателей, для управления которыми частота ШИМ после некоторой пороговой величины не имеет ключевого значения, биполярные транзисторы используются крайне редко. Особенности управления коллекторными двигателями Чаще всего в роботах используются маломощные коллекторные двигатели для движения объектов с небольшой массой. Это могут быть как отдельные части робота, например, голова, так и робот целиком, например, робот-уборщик. Управление коллекторными двигателями осуществляет микроконтроллер. В простейшем случае для реализации этой функции необходим всего один порт ввода/вывода общего назначения, подключаемый к двигателю через драйвер, выполняющий функции усилителя мощности. Управление двигателем может осуществляться по релейному принципу (включить/выключить), а при необходимости регулировки мощности – с помощью ШИМ-регулирования. Для управления направлением вращения коллекторный двигатель должен включаться по мостовой схеме, поэтому, в зависимости от типа драйвера, для этого необходимо от двух до четырех портов микроконтроллера. В общем случае драйверы коллекторных двигателей могут быть реализованы на дискретных компонентах (рисунок 7) или специализированных интегральных микросхемах, объединяющих в одном корпусе силовые полупроводниковые транзисторы, узлы, необходимые для управления ими, и дополнительные логические схемы.
Рис. 7. Схемы драйверов коллекторных двигателей Для реализации полнофункционального драйвера коллекторных двигателей необходимо около 30 дискретных компонентов. Очевидно, что такое решение занимает достаточно большую площадь на печатной плате, что, особенно при большом количестве двигателей, может стать проблемой. В этих случаях наиболее оптимальным будет использование интегрированных решений. На самом низком уровне, обозначенном на рисунке 8 красной линией, силовые транзисторы как самые габаритные, а порой и требующие теплоотвода компоненты, интегрируются в одну сборку. В общем случае в одну микросхему могут быть интегрированы все четыре транзистора, однако чаще всего выпускаются сборки, содержащие одно или несколько независимых плеч, что предоставляет разработчику большую гибкость при решении нестандартных задач. Плечи моста могут быть выполнены как на однотипных транзисторах, так и на приборах с разной проводимостью (N+P-канальные MOSFET). Несмотря на то, что производство мощных P-канальных MOSFET сложнее и дороже чем N-канальных, а их характеристики хуже, использование в плечах моста транзисторов с разным типом каналов позволяет значительно упростить управление ими, ведь в этом случае их можно подключить к одному драйверу затвора. В ассортименте компании Infineon присутствуют сборки как однотипных транзисторов (IRF40H233 – два N-канальных 40-вольтовых MOSFET с сопротивлением открытого канала 5,9 мОм), так и транзисторов с разными типами канала (IRF9389 – два 30-вольтовых MOSFET с сопротивлением 27 и 64 мОм).
Рис. 8. Уровни интеграции драйверов коллекторных двигателей На наивысшем уровне интеграции, показанном на рисунке 8 фиолетовой линией, силовые транзисторы и их драйверы затвора объединяются в один прибор. Это позволяет максимально уменьшить количество компонентов – фактически до одной микросхемы, которая, в общем случае, может содержать несколько комплектов узлов и управлять несколькими коллекторными двигателями. Для создания максимально компактных приложений компания Infineon предлагает следующие приборы:
После объединения силовых MOSFET и их драйверов затвора в один прибор, логично предположить, что на следующем уровне интеграции в узел управления должен войти и микроконтроллер. Однако, как видно из описания, коллекторные двигатели настолько просты в управлении, что в большинстве случаев они не требуют стабилизации частоты вращения, а порой – и концевых выключателей, поэтому использование отдельного процессора для управления ими, как показано на рисунках 5 и 6, приводит чаще всего к необоснованному усложнению схемы. Во многих роботах управление коллекторными двигателями осуществляется центральным процессором напрямую, без использования промежуточных контроллеров, что позволяет максимально упростить систему и повысить ее надежность. Особенности управления бесщеточными двигателями При питании от источника постоянного тока для управления бесщеточным двигателем чаще всего используется метод блочной коммутации с определением положения ротора с помощью датчиков Холла или бессенсорный способ – на основе измерения потребляемого тока. Однако принцип построения узла управления не зависит от метода формирования напряжения в обмотках и может быть либо централизованным, либо децентрализованным. При централизованном способе всю вычислительную нагрузку по формированию сигналов управления выполняет центральный процессор. С одной стороны такой метод упрощает систему и позволяет быстрее и точнее управлять движением, особенно если в роботе используется несколько взаимосвязанных двигателей. С другой – центральный процессор может располагаться на значительном расстоянии от двигателей, поэтому передача большого количества сигналов управления или мощности (если драйвер расположен рядом с процессором), особенно в роботах с высокой плотностью компоновки элементов, может превратиться в серьезную техническую проблему. В децентрализованных системах каждый бесщеточный двигатель управляется отдельным контроллером, располагаемым обычно в непосредственной близости от него. Несмотря на то, что такие решения менее распространены, они имеют ряд преимуществ, в первую очередь – высокую скорость реакции при возникновении аварийных ситуаций, что для роботов с повышенными требованиями к безопасности может стать ключевым фактором. Драйверы бесщеточных двигателей, аналогично коллекторным, могут быть реализованы как на дискретных компонентах, так и с помощью интегрированных сборок, позволяющих уменьшить размеры печатной платы. Различают три уровня интеграции этих узлов (рисунок 9).
Рис. 9. Уровни интеграции драйверов бесщеточных двигателей На первом уровне интеграции (рисунок 9б) силовые транзисторы верхнего и нижнего плеча объединяются в одну сборку. Также возможно объединение всех шести транзисторов в один модуль. Шесть драйверов затвора вместе с необходимыми для их работы бутстрепными диодами также обычно интегрируются в одну микросхему, например, 6EDL04N02PR, которая в данном случае может обеспечить повышенную устойчивость к переходным процессам и функции первичной защиты. На самом высоком уровне интеграции (рисунок 9в) драйверы и контроллер вместе со вспомогательными компонентами, например, операционными усилителями или стабилизаторами питания, интегрируются в законченное решение. В этом случае локальный контроллер выполняет часть функций по обеспечению управления двигателем, и такая система уже не может быть централизованной. Силовые транзисторы в подобные системы обычно не интегрируются, что позволяет подбирать нужную сборку в зависимости от мощности двигателя. Иногда вместе с драйверами затворов интегрируются также и силовые транзисторы стабилизатора питания, однако такие решения пока не пользуются большой популярностью. В таблице 1 приведен список компонентов производства Infineon, которые можно использовать для управления бесщеточными двигателями с любым из рассмотренных выше уровней интеграции. В их числе – силовые MOSFET, драйверы затворов, контроллеры, датчики положения ротора и другие компоненты. Особенности технологий Infineon Величина и тип потерь в драйверах приводов во многом зависят от метода управления. Например, для уменьшения потерь на блокировочных диодах часто используется синхронное выпрямление, при котором ток, который должен был протекать через диод, перенаправляется в канал MOSFET. В этом случае мощность статических потерь PLoss, определяемая для MOSFET как произведение протекающего через него тока IF на величину уменьшающегося с каждой новой моделью транзистора сопротивления открытого канала RDS (ON), становится намного меньше величины потерь на диоде, имеющем фиксированную величину прямого падения напряжения VF (PLoss = IFVF). Таблица 1. Компоненты Infineon для управления бесщеточными двигателями
Однако даже при использовании синхронного выпрямления внутренние диоды MOSFET, особенно транзисторов нижнего плеча, все равно остаются источником значительных потерь в приводах. Для решения этой проблемы компания Infineon разработала специализированное семейство MOSFET OptiMOS™ FD (Fast Diode) со встроенными диодами Шоттки, обладающее меньшим падением напряжения и, соответственно, меньшими потерями проводимости. Приборы этого семейства обычно имеют суффикс LSI в маркировке, например, BSC010N04LSI. На рисунке 10 приведено сравнение величины потерь в силовых элементах трехфазного инвертора бесщеточного двигателя, управляемого по блочному алгоритму (6 шагов) с использованием ШИМ-регулирования и синхронного выпрямления. Напряжение питания силовой части составляло 18 В, а в качестве силовых MOSFET были использованы транзисторы BSC010N04 с суффиксами LS и LSI соответственно.
Рис. 10. Статические и динамические потери в транзисторах верхнего и нижнего плеча, а также потери в диоде (D) трехфазного драйвера бесщеточного двигателя
Однако следует помнить, что уровень динамических потерь прямо пропорционален частоте переключений транзисторов. Для приводов, используемых в роботах, этот параметр обычно находится в диапазоне 10…40 кГц, что в совокупности с использованием лучших в своем классе транзисторов семейства OptiMOS™, обладающих малым сопротивлением RDS (ON) и малым зарядом затвора, позволяет максимально увеличить КПД системы. Хотя новейшие технологии производства полупроводниковых приборов и методы управления силовой частью позволяют эффективно снизить мощность потерь, все равно во время работы инвертора будет выделяться тепло, которое необходимо как-то утилизировать. Особенно актуально это для роботов с высокой плотностью монтажа, например, для роботизированных рук. Для таких случаев компания Infineon разработала специальный тип корпусов DirectFET™, особенностью которых является непосредственный монтаж кремниевой подложки кристалла на металлическую поверхность (рисунок 11), что позволяет значительно уменьшить тепловое сопротивление. Кроме этого, нижняя часть корпуса, являющаяся одновременно и силовым выводом транзистора, припаивается непосредственно к дорожке печатной платы, что позволяет охлаждать кристалл одновременно с двух сторон: снизу – через печатный проводник, и сверху – через воздух или, в особо жестких условиях, радиатор. Из рисунка 11 видно, что тепловое сопротивление корпуса DirectFET™ (8,1°C/Вт) практически в два раза меньше аналогичного параметра стандартного корпуса D2Pak (16,8°C/Вт), что делает его идеальным для конструкций, имеющих ограниченный объем.
Рис. 11. Сравнение тепловых сопротивлений корпусов DirectFET™ и D2PAK Однако прежде чем увеличивать частоту переключений и переходить на новые полупроводниковые приборы, следует убедиться, что управляющий микроконтроллер сможет обеспечить остальные характеристики управления на необходимом уровне. В первую очередь следует проверить два основных параметра:
Среди разработок Infineon также следует отметить специализированный сопроцессор MATH с модулем аппаратного деления и блоком тригонометрических функций CORDIC, ориентированный на использование в системах управления двигателями. Использование сопроцессора MATH, интегрированного в микроконтроллеры семейства XMC1000, позволяет значительно сократить время арифметических расчетов при использовании специализированных алгоритмов управления двигателями, например, Field Oriented Control (рисунок 12).
Рис. 12. Сравнение времени вычисления косинуса и частного микроконтроллеров на основе ядра ARM®-Cortex™-M0 с сопроцессором MATH и без него Решения Infineon для управления трехфазными двигателями
Рис. 13. Структурная схема драйвера двигателя на основе контроллеров iMOTION |
| Сообщения: 463 | |
