Od asistencie pri chirurgii až po zdvíhanie tisícok kilogramov vo výrobných závodoch, roboty uľahčujú mnohé aspekty nášho života. Vplyv robotov na moderný svet je zrejmý, no zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako robotické systémy dosahujú taký presný, rýchly a silný pohyb? Ak je odpoveď cez motor, gratulujeme!
Roboty majú tendenciu napodobňovať operácie, ktoré by vykonávali ľudia; ako také, ich funkčnosť primárne pozostáva z nastavenia polohy a orientácie prostredníctvom určitej formy posunutia alebo rotácie, typicky prostredníctvom motorov.
Zatiaľ čo tradičné aplikácie robotiky sa zameriavali predovšetkým na mechanické ovládanie (ako je manipulácia s ramenom alebo slučka dopravníkového pásu), moderné aplikácie sú oveľa jednoduchšie, ako napríklad otáčanie kamery alebo presné mechanické riadenie lúčov pre senzory lidar. Možno vás prekvapí, že najzákladnejšími aplikáciami elektromotorov sú ventilátory a čerpadlá, ale v skutočnosti hrajú dôležitú úlohu v chladení a hydraulike.
Kliknutím na obrázok prejdete na video: Zistite, ako spoločnosť TI využíva inovatívne polovodiče na zvýšenie výkonu robota
Napríklad bezkomutátorový jednosmerný motor (BLDC) v kĺbe robotického ramena (zobrazený na obrázku 1) zvyčajne pozostáva z rotujúceho rotora a stacionárneho statora. Aplikovaním elektrického signálu na napájanie vinutia cievky na statore sa vytvorí magnetické pole, ktoré generuje magnetickú silu, ktorá pohybuje rotorom, ktorý zase otáča kĺby v rámci robotického ramena. Racionálnym využívaním elektronických signálov sa bude robotické rameno nielen pohybovať, ale aj pohybovať špecifickou rýchlosťou, presnosťou polohy a krútiacim momentom.
Obrázok 1: Pohľad v reze na konštrukciu motora BLDC
Ako budú elektromotory poháňať ďalšiu generáciu robotov
Okrem presných a výkonných úloh zahŕňajúcich pohyb, pokroky v polovodičoch na riadenie motora, ako sú mikrokontroléry (MCU) a integrované ovládače motorov, optimalizujú pohyb robotov a dosiahnutie tohto cieľa čelí 4 veľkým výzvam.
Výzva 1: Zvýšenie bezpečnostných požiadaviek na spoluprácu človeka so strojom
V minulosti museli byť ľudia a roboti prísne oddelení z bezpečnostných dôvodov, často umiestnením robotov do klietok. Zvýšená automatizácia si vyžaduje užšiu spoluprácu a interakciu medzi človekom a strojom. Kolaboratívne roboty pomáhajú zlepšovať efektivitu práce, ale vyžadujú motory, ktoré dokážu zabezpečiť bezpečné zastavenie, bezpečné rýchlosti, krútiaci moment a riadenie pohybu.
Zariadenia ako C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU zohrávajú kľúčovú úlohu pri plnení bezpečnostných požiadaviek. Tieto zariadenia sú certifikované pre funkčnú bezpečnosť a môžu integrovať bezpečnostné periférie na diagnostiku, čo zjednodušuje dizajn podľa normy Medzinárodnej organizácie pre normalizáciu (ISO) 10218. Na analógovej strane spektra môžu ovládače inteligentných brán ako DRV8353F pomôcť inžinierom dosiahnuť ich bezpečnostné ciele pomocou technických správ certifikovaných TÜV SÜD. Tento podporný dokument prevedie inžinierov krokmi návrhu potrebnými na dosiahnutie bezpečného vypnutia krútiaceho momentu v súlade s normou IEC 61800-5-2. Či už ide o MCU alebo ovládač brány, existujú určité komponenty, ktoré môžu zjednodušiť proces navrhovania a umožniť funkčne bezpečné motorové systémy.
Výzva 2: Znížte hmotnosť, zjednodušte kabeláž a znížte náklady prostredníctvom decentralizovanej architektúry motora
Elektronika motora sa presúva z ovládacích skríň k integrácii priamo do kĺbov robota, čo pomáha znižovať hmotnosť, zjednodušovať kabeláž a znižovať systémové náklady. Tento trend podnietil výrobcov komponentov k vývoju riešení, ktoré dokážu integrovať viac funkcií do menších balíkov integrovaných obvodov. Priestorové obmedzenia tiež vyžadujú vyššiu hustotu výkonu a energetickú účinnosť.
Gallium Nitride FET, ako napríklad LMG3422R050, majú integrované hradlové ovládače, ktoré môžu zvýšiť účinnosť výkonového stupňa na viac ako 99 %, čo umožňuje integrovaným motorom znížiť alebo eliminovať potrebu chladičov. Pomocou komunikačných periférií v reálnom čase a rozhrania absolútneho kódovača môžu systémy používajúce MCU, ako je TMS320F28065, generovať signály modulované šírkou impulzu s rozlíšením pikosekund. Tieto vlastnosti redukujú kabeláž z viac ako 10 káblov na motor na celkovo dve zbernice pre celé rameno. Použitie MCU a GaN FET v tejto konfigurácii umožňuje návrhárom optimalizovať káblovú konektivitu pridaním jednopárovej ethernetovej funkcie prostredníctvom ethernetového vysielača a prijímača fyzickej vrstvy, ako je DP83TG721.
Výzva 3: Automatizácia úloh presného pohybu si vyžaduje väčšiu presnosť a presnosť
Miniaturizácia produktu mala vplyv na výber motora (servomotor, krokový alebo bezkefkový jednosmerný motor) pre mnohé aplikácie a zložitosť riadenia motora a spätnej väzby polohy sa zvýšila, aby bolo možné dosiahnuť presný pohyb potrebný na interakciu s týmito malými Produkty. Polovodičové inovácie umožňujú dosiahnuť vyššiu presnosť potrebnú na miniaturizáciu produktu. Napríklad prúdové snímače ako AMC3306 majú offsetové napätie 50 µV a integrovaný napájací zdroj. Kombinácia týchto funkcií do jedného obalu zlepšuje presnosť regulačnej slučky a znižuje celkovú veľkosť dosky plošných spojov.
Výzva 4: Optimalizujte energetickú účinnosť pre mobilné aplikácie napájané z batérie
Roboty sa stávajú mobilnými, namiesto toho, aby len stáli na jednom mieste, a pomáhajú doručovať balíky autonómne a bezpečne skúmať terén. Súčasné a budúce polovodiče používané v aplikáciách snímania, spracovania a riadenia v reálnom čase potrebujú vyvážiť vysoký výkon a energetickú účinnosť, aby sa zabezpečila primeraná životnosť batérie a možný dosah.
Dosiahnutie vysokej energetickej účinnosti nemusí byť zložité a ani si nevyžaduje zložité konštrukčné prístupy využívajúce viacero diskrétnych komponentov. Napríklad jeden ovládač motora, ako je MCT8316A, môže efektívne prevádzkovať malé motory čerpadiel a ventilátorov znížením počtu komponentov spotrebúvajúcich energiu v robote. Toto vysoko integrované zariadenie obsahuje šesť metal-oxid-polovodičových tranzistorov s efektom poľa, ktoré tvoria polovičný mostík na dodávanie prúdu motora, a digitálne jadro, ktoré umožňuje jednoduché riadenie rebríkového motora bez písania kódu.
Aká je perspektíva budúceho rozvoja riadenia motoriky?
Roboty budúcnosti budú za hranicami predstavivosti. Môžu ľahko dokončiť úlohy, ktoré sa dnes zdajú nemožné – často operujú v najhlbších priekopách oceánu alebo sa púšťajú do neznáma vesmíru. Nové návrhy budú pravdepodobne obsahovať čoraz pokročilejšie senzory, ako to v súčasnosti vidíme pri lidarovej a ultrazvukovej technológii. Spôsob, akým komunikujeme s robotmi, sa môže dokonca zmeniť, z drôtových robotov z minulosti na dnešné riešenia viac orientované na softvér. Zvýšená dostupnosť umožňuje spoľahlivejšie ovládanie robotov rečou, vizuálnym prejavom alebo dokonca len myslením. Počas tohto vývoja, ako sa robotická technológia a aplikácie neustále vyvíjajú, sa musia vyvíjať aj motory potrebné na poháňanie ich pohybov.