Привода, опции управления расширяют возможности робототехники

Привода, опции управления расширяют возможности робототехники

Билл Швебер, Mouser Electronics

Популярные продукты

• Texas Instruments DRV8816 Dual Half-Bridge Motor Drivers

• Molex Brad® MX-PTL ™ M12 Cordsets

• Panasonic AQY Series PhotoMOS Relays

Популярные Поставщики

• Texas Instruments

• Molex

• Panasonic

• Applied Motion Products

Связанные ресурсы

• http://ru.mouser.com/empowering-innovation

• http://ru.mouser.com/applications/robotics-technology

Большинство людей знает о классических роботах из научной фантастики, но реальный рост робототехники существует в классе самоуправляемых и дистанционно управляемых машин. Такие роботы выполняют конкретные, четко определенные задачи: работу на сборочной линии, помощь в хирургии, складские работы и даже такие опасные, как разминирование. Современные роботы могут выполнять как повторяющиеся задачи, так сложные функции, требующие гибкости в позиционировании и действиях (рисунок 1).

Рисунок 1: В настоящее время робототехника широко используется в задачах, начиная с простых погрузочных работ и до больших автоматических сборочных линий, где роботы поднимают, помещают, устанавливают и даже выполняют сварку деталей и узлов.

Создание этих высокопроизводительных машин стало возможным как следствие нескольких достижений: датчиков, которые помогают им слышать, видеть и чувствовать; мощных вычислительных ресурсов и сложных алгоритмов, которые позволяют в режиме реального времени принимать решения и действовать; двигателей, которые реализуют эти решения быстро, точно и мощно. Каждая из этих составных частей играет жизненно важную роль при создании робота, потому что технологические достижения и их синергия позволяют им быстро выстраивать новые решения.

Традиционно управление двигателем является проблемой для инженеров-электронщиков, так как многие критические проблемы существенно отличаются от знакомой им электроники. К счастью, технология сделала эти проблемы более понятными и легче решаемыми, позволяя также достигать эффективной производительности. Например, в двойной полумостовой привод двигателя DRV8816 компании Texas Instruments интегрированы защитные функции, включая заземление, предупреждение о перегреве и отключение при перегреве. Спящий режим с низким энергопотреблением выключает внутреннюю схему для получения сверхнизких значений силы тока покоя. Высоко интегрированные микроконтроллеры и драйверы указывают на высокий уровень гибкости систем и интеграции, которых достигли электроника и двигатели.

Начать с выбора двигателя

Есть три основных параметра, которые разработчики должны учитывать при выборе определенных типа и модели двигателя:

1. Минимальная и максимальная скорость двигателя (и соответствующее ускорение);

2. Максимальный крутящий момент двигателя, а также кривая соотношения момента и скорости;

3. Точность и повторяемость работы двигателя (без использования датчиков и управления по замкнутому циклу).

Есть также много других аспектов эффективности, принимаемых во внимание при выборе двигателя, включая его размер, вес и стоимостные факторы. Почти для всех малых и средних размеров приводов наиболее распространенными средствами приведения их в действие являются щеточные двигатели постоянного тока, бесщеточные постоянного тока и шаговые. (Тем не менее, есть некоторые случаи, в которых пневматика и гидравлика являются лучшим выбором, см. врезку "Использовать энергию гидравлики?".)

Щеточные двигатели, воплощающие старейшую технологию двигателей постоянного тока, являются наиболее простым и наименее дорогим выбором (Рисунок 2). Вращение ротора двигателя переключает (коммутирует) область окружающей ротор обмотки с токопроводящими щетками, которые контактируют с ротором. Скорость двигателя является функцией приложенного напряжения, поэтому требования по управлению ею минимальны, но управление крутящим моментом и связанным с этим позиционированием  затруднено. Щеточные двигатели обладают невысокой надежностью из-за износа щеток и требуют технического обслуживания по очистке щеток и их пружинок, а также являются источником электромагнитных помех из-за искрения в точке контакта щетки и вращающегося ротора. По этим причинам в большинстве случаев щеточные двигатели постоянного тока являются наименее привлекательным выбором в робототехнике.

Рисунок 2: В щеточном электродвигателе проводящие щетки (которые могут быть изготовлены из медных щетинок или, еще чаще, из графитовых стержней) касаются ротора. Вращающийся ротор коммутирует со щетками и, таким образом, переключает полярность токов в катушке.

Бесщеточные двигатели (Рисунок 3) вошли в практику вначале в 60-х годов, как результат двух технологических открытий: создания мощных, небольших по размеру, недорогих постоянных магнитов и маленьких, эффективных электронных переключателей (обычно МОП-транзисторов, но иногда биполярных транзисторов с низким падением напряжения) для переключения тока на обмотке. Взаимодействие между неподвижными катушками и магнитами на вращающемся роторе заменяет механическую коммутацию щеточного двигателя на электронную. Магнитное поле катушки включается и выключается с помощью МОП-транзисторов (как правило, сконфигурированных в Н-мосте) с соблюдением точной временной последовательности. Изменяя частоту переключения транзисторов, можно управлять скоростью двигателя. Кроме того, контроллер двигателя получает с датчиков информацию о положении ротора и, таким образом, имеет более широкие возможности по управлению двигателем.

Рисунок 3: В бесщеточном двигателе токи в катушке переключаются электронно в обмотках статора, в то же время их магнитное поле взаимодействует с постоянными магнитами на роторе. На этом изображении ротор в центре отсутствует.

Более того, передовые алгоритмы, такие как PID (пропорционально-интегрально-дифференциальный) или FOC (поле векторного управления, называемое также векторным управлением) могут быть встроены в контроллер двигателя. Это обеспечивает соответствие требуемой операции двигателя характеру нагрузки и ее изменения, что обеспечивает повышенную производительность. Эти алгоритмы могут учитывать такие факторы, как инерция ротора и адаптировать управление двигателем к сбоям из-за механических проблем вроде люфтов или прочих сбоев. Использование подобных алгоритмов дает возможность точного управления крутящим моментом и ускорением в дополнение к управлению скоростью.

Бесщеточные двигатели, по сравнению со щеточными, нуждаются в более сложной системе управления, но обеспечивают гораздо более высокую производительность. Бесщеточным двигателям, как правило, требуется обратная связь, реализуемая с помощью датчиков Холла, оптических датчиков или датчиков измерения электродвижущей силы. (Нужно обратить внимание, что и для традиционных щеточных двигателей можно достичь значительного улучшения управления за счет использования датчиков для обратной связи, но присущие им конструктивные и электромеханические недостатки по-прежнему ограничивают их производительность).

Другой альтернативой бесщеточного двигателя является шаговый (рисунок 4), в котором используется переключаемые электромагниты, расположенные вокруг центрального сердечника, который опоясан кольцом постоянных магнитов. Углы шага обычно составляет от примерно 1.8⁰ (200 шагов / оборот) до 30⁰ (12 шагов / оборот) в зависимости от числа постоянных магнитов, но более высокие и более низкие значения также возможны.

Рисунок 4: Шаговый двигатель использует кольцо электромагнитных полюсов вокруг сердечника с постоянными магнитами; последовательно возбуждение этих полюсов приводит ротор во вращение.

Шаговые двигатели не вращаются в обычном смысле слова; вместо этого вал может последовательно поворачиваться на определенный угол (шаг) и поэтому вращение может составлять часть полного оборота, но может быть и непрерывное вращение. Если питание подано, но нет команды на вращение, то двигатель будет сохранять свою позицию. Шаговые двигатели могут обеспечивать высокий крутящий момент на низких оборотах. Самый простой способ заставить шаговый двигатель вращаться – включать и выключать электромагниты последовательно, но это может привести к раскачиванию или вибрации. Чтобы избежать этой проблемы в ситуациях, когда это неприемлемо, некоторые продвинутые контроллеры поддерживают технику микрошагов, при которой питание на соседние элементы обмотки подается способом, обеспечивающим более плавное и даже непрерывное движение, чем это достигается простой техникой их последовательного включения-выключения.

Существует перекрытие областей применений бесщеточных и шаговых двигателей. Шаговые двигатели лучше подходят для применений, требующих точного движения назад и вперед, например, при выполнении операций взять и положить, чем для непрерывного вращения в течение длительного периода, а также для применений, когда не требуется обеспечивать высокий крутящий момент или скорость. Кроме того, шаговые двигатели не обладают такой энергоэффективностью, как бесщеточные.

Есть также много других типов двигателей. Генеалогическое дерево семейства двигателей является большим и сложным, со многими разветвлениями. Например, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами представляет собой комбинацию бесщеточного двигателя постоянного тока (по отношению к ротору) и индукционного двигателя переменного тока (по отношению к конструкции статора). Он отличается высокой эффективностью, относительно высокой мощностью при компактном корпусе, высоким коэффициентом крутящего момента к весу, малым временем реагирования и простым управлением, но может быть дорогостоящим.

Управление требует точности

Двигатель сам по себе, даже с простой системой управления, не является подвижной робототехнической системой. Такая система должна состоять из трех основных функциональных блоков (рисунок 5):

1. Контроллера, работающего в режиме реального времени, который может быть реализован одним из трех способов: универсальный высокопроизводительный  процессор вместе с прошивкой для управления движением; цифровой сигнальный процессор с программируемой пользователем матрицей для применений управления; специализированная интегральная схема со встроенными алгоритмами.

2. Одного или нескольких драйверов для приема сигналов низкого уровня с выхода контроллера и обеспечения их взаимодействия с электронными переключателями, работающими при высоких напряжении и токе.

3. МОП-транзисторов (или других переключающих элементов, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые управляют током в обмотках двигателя.

Рисунок 5: Полная цепочка управления электродвигателем для исполнения алгоритма вычислений имеет встроенный контроллер. Выходы контроллера воспринимаются драйверами МОП-транзисторов, которые активируют переключающие питание двигателя МОП-транзисторы. Многие приложения имеют цепь обратной связи, которая предоставляет информацию о фактическом положении ротора в масштабе реального времени и, таким образом, может быть использована для определения его скорости и ускорения.

Выбор конкретного МОП-транзистора определяется, прежде всего, требуемыми уровнями тока и напряжения для двигателя и его обмоток. Выбор из тысяч доступных МОП-транзисторов почти полностью обусловлен этими характеристиками двигателей (и, конечно же, стоимостью).

После того как МОП- транзистор определен, выбор драйвера определяется рангом транзистора; если он высокий, то может потребоваться ряд повышающих драйверов в зависимости от размера транзистора. Как и в случае с самими транзисторами, выбор драйвера в значительной степени определяется тем, какой величины ток и напряжение требуется для включения и выключения транзистора. (Надо обратить внимание, что есть некоторая двусмысленность и перекрытие в терминологии, поэтому надо тщательно проверять лист спецификации: "Драйвер" может означать блок, который управляет транзистором, или же это может быть транзистор, который “управляет” катушкой двигателя. Кроме того, некоторые интегральные схемы включают как МОП- транзисторы, так и их драйверы на одном кристалле).

В отличие от выбора МОП-транзистора или его драйвера, решение по выбору типа контроллера является стратегическим и должно быть принято до выбора конкретного производителя или устройства. Существует много вариантов систем для принятия решения, какой тип процессора использовать: программируемый процессор общего назначения, который хорошо подходит для управления двигателем, программируемая вентильная матрица (FPGA) или специализированная управляющая интегральная схема (последняя чаще в исполнении производителей, специализирующихся на управлении движением).

Некоторые из вопросов, которые должны рассмотреть проектировщики:

• Какого уровня сложности алгоритм вам нужен и сколько потребуется операций ввода / вывода? Например, векторное управление требует параллельного выполнения нескольких расчетов со сложными преобразованиями и, таким образом, использования передовых функциональных блоков (рисунок 6).

Рисунок 6: Современный подход к управлению электродвигателями, воплощенный в  векторном управлении, требует множественных числовых преобразований, а также быстрого внутреннего контура и более медленного внешнего. ( Источник: Altera)

• При использовании программируемых интегральных схем общего назначения или программируемых вентильных матриц возникает вопрос: кто обеспечивает алгоритмы управления и их код – производитель микросхем, партнер производителя микросхем или независимая компания? Как эти алгоритмы будут проверены и испытаны специально для вашего двигателя и применения?

• Если используется специализированная предварительно запрограммированная интегральная схема, то предлагает ли она достаточный диапазон функций и возможностей?

• Какой уровень возможностей по пользовательскому программированию вам нужен? Даже специализированные, непрограммируемые контроллеры позволяют пользователям выбирать тип алгоритма, режим управления с обратной связью (положение, скорость, ускорение) и устанавливать рабочие параметры, такие как временные константы или допустимые диапазоны ошибок.

• Будет ли необходимость корректировать или изменять основной алгоритм, имеют ли  двигатель и область применения уникальные атрибуты? Если это так, то лучшим выбором могут быть программируемые интегральные схемы. С другой стороны, есть ли сомнения, что  будет постоянная потребность изменять алгоритм? В этом случае специализированная интегральная схема со встроенными алгоритмами может быть лучше, чем полностью программируемая.

• Должен ли контроллер поддерживать один тип двигателя или несколько? Если один тип двигателя, то будет ли он одного размера или будет масштабироваться?

• Какого уровня техническую поддержку обеспечивает поставщик? Каков его фактический, практический опыт в области двигателей? Предоставляет ли он подробное руководство пользователя, с примерами применений, которые прошли испытания, включая интерфейс между интегральной схемой управления и драйверами МОП-транзисторов?

• Существуют ли нормативные вопросы, о которых надо знать, такие как требуемая эффективность (многие применения двигателей теперь должны соответствовать различным «зеленым» стандартам)? Если да, то следует ли им производитель и соответствуют ли им его компоненты и алгоритмы?

Примеры микросхем и плат демонстрируют возможности контроллера и интерфейса

Для многих инженеров сборка вместе всех частей системы - контроллера со встроенными или внешними алгоритмами, драйверов и МОП-транзисторов - это многопрофильная задача, при решении которой они не хотят "изобретать колесо". Для облегчения этой задачи многие производители интегральных микросхем систем управления электродвигателями производят отладочные платы и даже полные серийно поставляемые платы, включающие контроллер, алгоритмы, драйверы и МОП-транзисторы.

Например, драйвер 1240i от компании Applied Motion Products является программируемым драйвером для шаговых двигателей, подходящим для широкого спектра приложений управления двигателем (рис 7). Он включает в себя усложненный контроллер вместе с интегрированным 50-ваттным микрошаговым усилителем и подключается непосредственно к шаговому двигателю, обеспечивая программируемый ток двигателя до 1.2 ампер на фазу и скоростью до 50 оборотов в секунду.

Рисунок 7: Программируемый драйвер для шаговых двигателей 1240i от компании Applied Motion Products является законченным решением для управления двигателем и может управляться с конечного приложения на ПК или использоваться в качестве автономного контроллера после установки.

Различные варианты доступны для управления многими стандартными версиями шаговых двигателей и используемых интерфейсов. Плата может быть запрограммирована пользователем с помощью инструментария управления движением от поставщика, а стандартный ПК может выполнять функцию автономного контроллера движения. Кроме того, можно управлять движением в реальном времени с хост-компьютера или программируемого логического контроллера.

У робототехники впереди захватывающее будущее. Датчики, контроллеры и двигатели являются ключевыми областями, инновации в которых будут определять, какие инновационные технологии будут развиваться в робототехнике.

Дополнение: Использовать энергию гидравлики?

Использование сжатых жидкостей представляет собой альтернативу электродвигателям для обеспечения движения робота. Она может быть двух видов: гидравлика на основе масла и пневматика на основе воздуха. Гидравлический привод зарекомендовал себя в применениях, требующих значительных величин мощности, таких как, например,  землеройная техника. Он первоначально использовался на робототехнических линиях по сборке автомобилей, так как это была хорошо освоенная технология с долгой историей применения. Однако гидравлический привод требует тщательной интеграции электронно управляемых  функций с гидравлической конструкцией и ее компонентами, а также компрессором или насосом в дополнение к электрическому источнику питания. Кроме того, неизбежные проблемы утечек, сложности обслуживания (нужны специалисты в области электрики и гидравлики) и экологических последствий утечек и разливов сделали этот выбор приемлемым только тогда, когда нет реальной альтернативы или когда проблемой является чувствительность к электрическим помехам (EMI/RFI).

Некоторые применения малой мощности используют сжатый воздух, особенно если электромагнитные/радиочастотные помехи или электростатический разряд вызывают опасения. У систем на основе сжатого воздуха нет потенциальных проблем, характерных для гидравлики, но они не могут обеспечить сопоставимую по величине мощность в заданном объеме и поэтому являются относительно громоздкими. Как и гидравлические системы обеспечения движения, пневматические системы могут допускать утечки, сложны при устранении неполадок и требуют комплексных знаний по проектированию, установке и обслуживанию. Они могут представлять собой жизнеспособный вариант при необходимости простых, быстрых возвратно - поступательных движений.

Из-за резкого прорыва технологий в электродвигателях высокой мощности и управлении ими, многие приложения, ранее использовавшиеся гидравлику, перешли на их использование, если не было веских технических противопоказаний к этому. Для новых конструкций, особенно в случаях малых и средних роботов (и даже во многих случаях с более крупными) первым выбором являются электродвигатели с электронным управлением. Это не означает, что гидравлические системы являются устаревшими, так как все еще есть потребность в гидравлике и пневматике для применений с высокой скоростью, высоким сопротивлением и высокой мощностью. Примерами являются подъемник станции для ковки металла (гидравлический) и система запуска катапульты для самолетов (паровая и воздушная).