隨著機器人制動器從液壓型向全電氣化的轉(zhuǎn)變，電子零件供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)能夠提供全部的電機控制參考零件，例如電動機、MOSFET晶體管、驅(qū)動器、處理器、控制算法以及電源連接器。

機器人運動系統(tǒng)通常是采用電子器件實現(xiàn)控制、液壓系統(tǒng)實現(xiàn)動力或者說是"機器人的肌肉"?，F(xiàn)在電動機技術(shù)取得了先進的發(fā)展（如無刷電機和步進電機），電動機控制零件（從MOSFET/IGBT到門驅(qū)動器）、傳感器技術(shù)、控制處理器和算法，全部都可以采用電氣化方式來實現(xiàn)。比如我們可以采用電動機實現(xiàn)制動，取代傳統(tǒng)的液壓活塞方式。

大多數(shù)人都支持這種趨勢，根據(jù)ABI研究協(xié)會的調(diào)查，"消費機器人市場到2015年會實現(xiàn)3300萬的出貨量，總體市場份額會達到35億美元。2025年前，出貨量和市場份額都會顯著增長，ABI研究協(xié)會預(yù)測出貨量會達到165百萬套，總的市場份額也會在翻四倍多，達到170億美元。"更進一步講，作為大型機器人系統(tǒng)供應(yīng)商的Keller HCW GmbH指出"工程師更愿意在一些敏感的應(yīng)用中使用電動機，不僅滿足更寬泛的要求而且更容易維護和調(diào)試。"

有一個好消息就是從采購和開發(fā)的角度來看，開發(fā)一個全電氣化的機器人制動器或者運動控制子系統(tǒng)再簡單不過了。電子零件供應(yīng)商提供了非常多的選擇和開發(fā)板卡。這些工具能夠幫助工程師驗證他們的概念設(shè)計、完成具體的應(yīng)用代碼、驅(qū)動電機、完成機器人運動控制系統(tǒng)大部分設(shè)計的驗證。

這篇文章介紹了一些機器人相關(guān)的參考設(shè)計和開發(fā)板卡，解決了工程師所面臨的一些挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)機器人系統(tǒng)提供快速、精確和強大的電機控制解決方案。參考設(shè)計和評估板卡之間又有哪些不同呢？從某種程度上看，只是語義和使用角度的不同。一個參考設(shè)計時一個全面的隨時可以應(yīng)用的設(shè)計，具備原理圖、材料清單（BOM）、PCB、性能測試數(shù)據(jù)、以及其它具體功能方面所要求的，對于用戶來講研究或者修改方面靈活性不高。舉個例子就是某個LED自定義電流負載驅(qū)動器的參考設(shè)計。

正好與其相反，評估板卡的設(shè)計就是用來測試某些功能或者組件的，可能會包含一些額外的測試相關(guān)電路或者功能模塊，這些可能在最終的設(shè)計中是不需要的。這些工具包會省去PCB和材料清單相關(guān)信息，但是我們?nèi)匀豢梢阅眠^來用于實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。現(xiàn)實的情況是供應(yīng)商提供的資料一些只是作為參考設(shè)計，一些只是用于評估開發(fā)，而且很多都具有一些交叉屬性。

系統(tǒng)組件：電源處理和智能化

一個典型的運動控制系統(tǒng)參考設(shè)計（如圖1）包括如下組件：

1. PC端實現(xiàn)的運動控制算法以及用戶接口，對于性能和功能可以自定義開發(fā)。 2. 驅(qū)動/接口板卡(或者其他名字)能夠為MOSFET/IGBT驅(qū)動器提供底層的控制信號，我們可以借助各種類型的接口(比如USB、SPI、I2C等協(xié)議接口)與PC端連接。 3. MOSFET/IGBT驅(qū)動器能夠提供獨立信號用來開啟和關(guān)閉MOSFET/IGBT器件的電源，可以說這是實現(xiàn)低壓電子控制高壓設(shè)備之間的接口。 4. MOSFET/IGBT能夠提供切換和控制電動機繞組的電源。 5. 就電動機而言，通常是無刷直流或者步進電機，有時候也可能采用交流電機，直流電機通常多用于中低端電源應(yīng)用場景，在高電壓和工業(yè)級應(yīng)用則多采用交流電機。 6. 可選的反饋傳感器(編碼器或者霍爾效應(yīng)等等)以及接口電路，在一些控制型設(shè)計中是必需的，這樣系統(tǒng)才能判定電機的實際情況(轉(zhuǎn)速、加速度等)，進而控制器對電機的控制實現(xiàn)更新矯正。

圖1 上圖展示的是處理器和算法、電動機以及反饋環(huán)節(jié)，我們還可以增加其他關(guān)鍵的功能模塊，每一級的功耗和電壓一次提升

一款通用的開發(fā)套件

這款全面的參考設(shè)計包括電機驅(qū)動器、接口電路、PC端的電機控制算法和開發(fā)工具，甚至提供了電纜和連接器，實現(xiàn)MOSFET和電動機的供電，有時候也會提供電動機。這些電路和布局設(shè)計可以用于最終設(shè)計或者輕微修改即可。

評估板卡的設(shè)計不是很全面，通常需要多塊電路板的組合才能實現(xiàn)與PC機的連接，這樣PC上的驅(qū)動算法才能夠為高壓電路或者電機接口提供驅(qū)動信號。它們屬于我們臨時構(gòu)建的模塊，可用于后續(xù)的最終系統(tǒng)設(shè)計中。

介紹一款開發(fā)套件——亞諾德(ADI)半導(dǎo)體公司推出的AD-FMCMOTCON2-EBZ(見圖2)開發(fā)板卡，它是一款全面的高性能的伺服系統(tǒng)，支持三相永磁同步無刷直流電機或者步進電機，功率支持48V20A。能幫助工程師實現(xiàn)快速建模以及電機控制算法的開發(fā)實現(xiàn)。

圖2 亞諾德(ADI)半導(dǎo)體公司推出的AD-FMCMOTCON2-EBZ開發(fā)套件：上面是無刷直流電機負載，以及AD-DYNO2-EBZ功率測試電機，下面是驅(qū)動板卡，左面的是控制器板卡(來源：ADI公司)

這款開發(fā)套件包括兩塊板卡和軟件工具，通常很多機器人和運動控制應(yīng)用都需要至少兩個電動機來實現(xiàn)X和Y方向的移動，這個套件支持兩個獨立的電動機，獨立供電操作，所以兩個電動機之間的電壓互不干擾。

驅(qū)動板卡集成了ADI出品的絕緣柵驅(qū)動器支持高頻信號輸出，電流和電壓測量同樣使用隔離的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),因此由于非絕緣導(dǎo)致的安全問題能夠有效的避免，盡管我們可以采用傳感器的反饋，但是也支持無傳感器的控制模式或者無刷直流電動機。我們設(shè)置了過電流和反向電壓保護，當(dāng)我們在設(shè)計中使用QDESYS電動機控制IP核和以太網(wǎng)模塊時，用戶可以實現(xiàn)矢量控制算法(FOC)，集成到FPGA項目中并進行一定的優(yōu)化(如圖3)。

圖3 在QDESYS電機控制IP和以太網(wǎng)模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)矢量控制算法和PWM電動機控制操作，能夠設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)以及性能檢查(來源：ADI)

還有一個特性就是AD-DYNO2-EBZ支持功率監(jiān)測擴展了整個驅(qū)動系統(tǒng)，這個可動態(tài)調(diào)節(jié)的負載系統(tǒng)用于測試實時電機的控制性能。功率測試計包括兩個無刷直流電機，并且是直接耦合的：一個作為負載并且有自己的嵌入式控制系統(tǒng)，另一個電動機則主要用于用戶的自定義功能開發(fā)，采用AD-FMCMOTCON2-EBZ FMC板卡實現(xiàn)驅(qū)動。

采用高級抽象命令實際上降低了處理器的負載。位置控制器是可配置的，支持不同類型的電動機、位置移動范圍以及其它參數(shù)，如數(shù)據(jù)、加速度、減速、保持電流和安全位置。這個模塊可以重新編程實現(xiàn)檢測和作用于轉(zhuǎn)子的機械阻塞效應(yīng)。它支持步進電機的細分控制，如1/2, 1/4, 1/8和1/16細分模式，可編程的峰值電流最高達800mA以及20KHz PWM方波調(diào)節(jié)信號，支持快慢的衰減模式自動化選擇。配置方式還支持32個控制節(jié)點，斜率控制、可控的PWM信號頻率和抖動(避免共振)。

不要忽略掉連接器

當(dāng)一個設(shè)計中包含電動機，一般我們選擇的低電流和低電壓的連接器并不適合MOSFET/IGBT驅(qū)動板卡和電動機之間的互連。主要有以下幾個原因：

電動機的電流和電壓可能比PC主板的典型電壓值高一些；

電動機連接在操作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)震動，主要是由于操作條件和處理不當(dāng)引發(fā)的不同類型的機械震動問題；

當(dāng)我們在調(diào)試階段需要測試不同的電動機、不同的速率或者評估電氣或者機械方面的技術(shù)問題，這就需要經(jīng)常連接/斷開電動機；

固定鍵控連接器對于避免誤連接至關(guān)重要，但是在高壓和高電流情況下有很多麻煩；

連接器必須能夠提供全面的保護，如由于疏忽造成的誤接觸，尤其是當(dāng)電壓超出安全限制的情況。這與應(yīng)用場景和不同的國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，但是通常情況下是50V；

緊湊高密度的主要用于低壓電子信號，可能不符合UL、CSA、CE或者其他監(jiān)管部門定義的間隙要求。

幸運的是又一款易用易斷開的連接器，非常適合電動機的高壓和高電流要求，能夠有效的避免上面所提出的技術(shù)問題，而且不會限制工程師設(shè)計的靈活性。

舉個例子，Molex FiT連接器不僅能夠輸送電源，而且支持線對線、點對板卡、板卡對板卡之間的連接（見圖4）。Molex系列連接器主要有五種產(chǎn)品，插針間距從2.50mm到5.70mm，每種都具有不同的電源等級。Nano-Fit是最小型的一款，支持20——26AWG規(guī)格的線纜以及250V5A。Mega-Fit是最大型的一款，支持12——16AWG規(guī)格的線纜以及600V23A的電力傳輸。

圖4 MOSFET/IGBT驅(qū)動器與電動機之間的連接器必須能夠處理高壓和大電流情況，滿足電力的傳輸。Molex FiT系列連接器有五種不同的尺寸，能夠提供可靠安全高性能的連接（來源：Molex）

該系列的所有連接器都是相同的形狀但是物理尺寸是不同的，都具有卡扣避免異常斷開連接，而且能夠有效的避免人員的誤觸。為了提升可靠性和降低壓降和功率損失，每根連接管腳都具備多個點的金屬對金屬的接觸。

結(jié)論

參考設(shè)計和評估板卡對于機器人系統(tǒng)設(shè)計越來越重要，這樣可以加快產(chǎn)品開發(fā)，縮短產(chǎn)品面市的時間，尤其對于一些具有戰(zhàn)略意義的應(yīng)用來說非常重要。隨著運動控制和機器人系統(tǒng)逐漸全部采用電氣化/電子方式來實現(xiàn)，對于那些液壓器的需求就會越來越少，IC器件供應(yīng)商能夠為整個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)的設(shè)計提供全面的硬件和軟件設(shè)計支持。也就是說工程師從事這方面的工程設(shè)計具有更多的選擇性，采用最有的方式來解決開發(fā)過程中遇到的運動控制問題，最好拿出最優(yōu)的解決方案。