電動機是將電能轉化為機械能的裝置，可用于移動鉸接系統。電動機必須能夠在低速時產生相當大的扭矩，并且在整個負載范圍內都非常高效。它還需要一個簡單的控制和驅動機制。盡管無刷直流電機 (BLDC) 需要更復雜的控制，但由于其更好的性能，它們正在機器人應用中找到家。

由于生產成本較低，BLDC 電機越來越受歡迎。尤其是消費級無人機和電動自行車的到來，導致了 BLDC 電機的廣泛采用，這些電機以前僅用于高端工業應用。

在過去的二十年里，開發這些 BLDC 電機應用的工程師發生了變化，電機控制也發生了變化。今天的工程師更喜歡專注于使他們的設備設計獨特的原因，而不是構建復雜的推進系統。工程師們專注于更時尚的設計，具有最小的外形尺寸、直觀的用戶界面、實時功能、功能安全和云中的數據共享。

控制問題

機器人系統的一個重要部分是電機控制器。可以使用幾種控制策略來操作機器人操縱器或機械臂。所使用的技術及其實施方式會對機械手的性能產生相當大的影響，從而影響可行應用的范圍。另一方面，機械手和驅動系統的機械設計會影響可以使用的控制方案的類型。

雖然機器人的工作通常是在操作空間中描述的，但控制動作是根據機器人各個部分的運動在關節空間中實現的。因此，研究兩種類型的控制方案是合理的：一種用于聯合空間，另一種用于操作空間。控制器結構在這兩種方案中都是一個閉環控制系統，以利用反饋在模型上的潛在未知影響的彈性和最小化干擾影響（如噪聲）方面的好處。

關節空間控制問題需要解決機械手的逆運動學問題，以將運動要求從操作空間轉換為關節空間。然后創建控制方案，以便機械結構的運動可以遵循預期的運動。相比之下，操作空間中的控制需要更高水平的計算復雜性，其中運動學反演被結合到閉環系統中。

需要使用的操作系統以及基于電機和應用需求的各種方法和電路來控制電機的速度和方向。電機控制器的目標是能夠手動或自動操作電機（啟停、反轉、速度、扭轉和電壓過載保護）。

傳統電機具有 BLDC 電機所沒有的許多優點。BLDC 和交流驅動的永磁同步電機 (PMSM) 可以在緊湊的外形尺寸中提供所需的精度和高效率。此外，有刷直流電機和交流感應電機易于連接和操作，不像 BLDC 和 PMSM，后者更復雜。

例如，BLDC 使用諸如無傳感器矢量控制（也稱為磁場定向控制或 FOC）等技術，這些技術提供了良好的效率和消除傳感器硬件的優勢，從而降低了成本并提高了可靠性。設計人員面臨的問題是無傳感器矢量控制實現起來很復雜，因此使用它會延長開發時間、增加成本并可能超過上市時間的預測。

為了解決這個難題，設計人員可以求助于開發平臺，例如德州儀器公司的DRV8301-69M-KIT引擎套件，其中包括一個集成了降壓穩壓器和分流放大器的 DRV8301 三相柵極驅動器以及一個 InstaSPIN-FOC和支持 InstaSPIN-MOTION 的 Piccolo TMS320F28069M 微控制器 (MCU) 板。

盡管設計復雜，但 BLDC 的主要優勢來自于其結構特性。它們的效率通常比有刷解決方案高 15% 到 20%，由于采用無刷設計，因此需要較少的維護，并且在所有額定速度下都能提供平坦的扭矩曲線。在許多應用中，由于最近半導體技術的進步、永磁體的改進以及對更高效率的需求增加，有刷電機已被 BLDC 取代。

直流驅動器

BLDC 使用電子換向，可實現更好的電流切換。它導致更大的扭矩、在寬范圍內的精確速度控制以及改進的電機性能。在大多數 BLDC 電機控制器中都可以找到半橋或半 H 橋電路。這種電路設計與 H 橋不同，只有兩個開關：一個高側晶體管和一個低側晶體管。

提供單相、兩相和三相 BLDC 電機。三相類型是最流行的。電機定子的繞組數量與相數相關，但轉子磁極可能是任意數量的對，具體取決于應用。

BLDC 控制的一個基本組件是驅動器。它是一種電壓輸出功率放大器，用于驅動半橋電路的大電流高側和低側 IGBT 柵極。

一個例子是 Power Integrations 400-W BRD1167 和 BRD1267BridgeSwitchIC，它們提供 1.33 A 的連續 RMS 相電流和 11.5 A 的 FREDFET 直流輸出電流。它們是自供電的，采用 InSOP-24C 表面貼裝封裝，就像 BridgeSwitch 家族的其他成員一樣。這些器件支持所有主要的 MCU 和電機控制方法，可以運行單相或多相高壓同步或異步電機。所有 BridgeSwitch IC 都包含過流、過壓/欠壓和過熱保護，簡化了 IEC 60335 和 IEC 60730 認證。

另一個例子是 Monolithic Power Systems Inc. 的MP6612D可逆電機驅動器，它使用 H 橋。它可以操作直流電機、步進電機繞組和其他負載。四個 N 溝道功率 MOSFET 和一個內部電荷泵在 H 橋中產生柵極驅動器電壓。DIR 和 ENBL 引腳用于控制輸出。

MP6612D 框圖（來源：Monolithic Power Systems Inc.）

寬帶隙半導體

新興電子應用需要能夠從越來越緊湊的平臺中提取更高性能的電機設計。依靠經典硅 MOSFET 和 IGBT 的電機驅動器電路正在努力滿足新標準。隨著硅技術接近功率密度、擊穿電壓和開關頻率的理論極限，設計人員越來越難以控制功率損耗。這些限制的主要后果是在高工作溫度和開關速率下效率降低和額外的性能問題。

諸如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件之類的寬帶隙 (WBG) 半導體用于電機控制，因為它們提供了更快的開關，這對于在高基頻下運行并需要良好濾波紋波的電機來說可能是必需的。然而，WBG 器件實現的高開關速度在提供更高轉換效率的同時，也會產生非常快的電壓變化，從而導致高電壓變化率 (dV/dt)，從而對電機繞組的絕緣造成壓力。因此，電力電子應用有兩個主要目標：管理熱問題和減小系統尺寸。

德州儀器 (Texas Instruments) 等制造商開發了 GaN 集成功率器件，有助于從 WBG 器件中獲得最佳性能。例如，LMG5200提供了一個帶有增強型 GaN FET 的 80V GaN 半橋功率級。該器件由兩個 GaN FET 組成，由一個采用半橋布置的高頻 GaN FET 驅動器供電。

TI 提供 TIDA-00909，這是一種用于高頻電機驅動器的參考設計，該參考設計采用三相逆變器和三個 LMG5200，以簡化該器件的設計。對于簡單的性能評估，TIDA-00909 帶有一個合適的接口，用于連接到 C2000 MCU LaunchPad 開發套件。

LMG5200 框圖（來源：德州儀器公司）

另一個例子是 EPC 的EPC9146電源板，它采用 EPC 專有的 GaN IC 技術將 EPC2152 單片 ePower Stage 與集成柵極驅動器結合在一起，并提供 80-V 的最大器件電壓和 15-A 的最大輸出電流。憑借高達 3 MHz 的 PWM 頻率，它可以滿載運行。EPC9146 提供適用于電源驅動應用的功能，例如具有集成柵極驅動器的單片功率級、用于管理電源的穩壓輔助電源軌、電壓和溫度感應、精確電流感應和保護功能。

EPC9146可與EPC9147系列配套板配對，讓用戶直接通過主流MCU板控制電源板，利用現有資源進行快速開發。

機器人的復雜性需要正確的驅動程序來正確執行與工業應用相關的功能。WBG 半導體用于電機控制，因為它們允許更快的切換，這對于在高基頻下運行的電機是必需的。工程師們更愿意專注于讓他們的小工具設計與眾不同的地方，而不是創建一個復雜的推進系統。

審核編輯：湯梓紅