|
來源：富昌電子 作者：Martin Schiel，EMEA垂直部門經(jīng)理（嵌入式系統(tǒng)） 當(dāng)一項(xiàng)電子功能或多或少地通用于大批量產(chǎn)品中時(shí)，半導(dǎo)體行業(yè)能夠協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作，并創(chuàng)建現(xiàn)成的實(shí)施方案。芯片制造商開發(fā)的參考設(shè)計(jì)構(gòu)成了許多熟悉產(chǎn)品的硬件的基礎(chǔ)，例如PC、固態(tài)磁盤、智能手機(jī)和電視機(jī)等。 現(xiàn)在可以在電機(jī)控制領(lǐng)域中觀察到這種現(xiàn)象：新型機(jī)器人設(shè)計(jì)數(shù)量的激增促使半導(dǎo)體制造商探索通過為小型節(jié)能電機(jī)提供先進(jìn)的新參考設(shè)計(jì)平臺(tái)來減少客戶開發(fā)開銷、加快產(chǎn)品上市并增強(qiáng)功能的方法。 作為擁有廣泛的全球客戶基礎(chǔ)（包括許多工業(yè)OEM）的寬線分銷商，富昌電子對適合機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)人員的半導(dǎo)體產(chǎn)品了如指掌。在公司看來，機(jī)器人設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在他們評估的基于半導(dǎo)體的電機(jī)開發(fā)平臺(tái)中尋找三個(gè)基本要素。 本文介紹了這些要素，并通過參考意法半導(dǎo)體提供的平臺(tái)說明了它們?nèi)绾螏椭涌煜到y(tǒng)設(shè)計(jì)。 電機(jī)控制：對半導(dǎo)體廠商越來越有吸引力的市場 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的快速開發(fā)平臺(tái)中受益的原因是，伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人市場有可能出現(xiàn)急劇增長。出現(xiàn)這種增長的原因是工業(yè)市場處于最佳狀態(tài)，在這種情況下，處理器性能和速度的提高可實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的操作，從而為機(jī)器人提供了一套新的用例，可以支持、模仿、增強(qiáng)或替代人類的能力，尤其是在使用人工智能（AI）進(jìn)行了增強(qiáng)時(shí)。 據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)，在近十年內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的主要趨勢將是： · 機(jī)器人變得更聰明 數(shù)字傳感器與智能軟件相結(jié)合，可以采用直接的教學(xué)方法，即所謂的“演示編程”。未來，機(jī)器學(xué)習(xí)工具將使機(jī)器人能夠通過反復(fù)試驗(yàn)或視頻演示來學(xué)習(xí)，然后自動(dòng)優(yōu)化其動(dòng)作。 · 機(jī)器人與人協(xié)作 當(dāng)前，機(jī)器人的共享工作區(qū)域應(yīng)用是最常見的：機(jī)器人和工人并肩工作，依次完成任務(wù)。現(xiàn)在的研發(fā)工作集中在使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)的方法，包括語音、手勢和人類動(dòng)作意圖的識(shí)別。 · 機(jī)器人邁向數(shù)字化 工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)4.0浪潮中數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的核心組件。對于他們而言，無論制造商是誰，能夠彼此通信就顯得尤為重要。OPC機(jī)器人技術(shù)規(guī)范定義了工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，使工業(yè)機(jī)器人能夠連接到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)。 隨著這些趨勢在未來數(shù)月和數(shù)年中逐漸顯現(xiàn)，我們將看到更多的機(jī)器人和更多不同類型的機(jī)器人在更多位置執(zhí)行更多功能。每個(gè)機(jī)器人至少包含一個(gè)電機(jī)；帶有鉸接、關(guān)節(jié)、笛卡爾或其他類型手臂的機(jī)器人通常包含許多電機(jī)。因此，對電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)市場快速增長的預(yù)測，以及半導(dǎo)體公司對通過提供參考設(shè)計(jì)平臺(tái)來幫助電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員加速產(chǎn)品開發(fā)的興趣日益增長。 在富昌電子看來，電機(jī)控制開發(fā)平臺(tái)的三個(gè)重要特性對工業(yè)用戶最有價(jià)值：集成、可配置性和生態(tài)系統(tǒng)兼容性。為什么這些特性非常重要？ 1. 高水平的芯片集成度 電機(jī)控制系統(tǒng)是各功能塊的復(fù)雜組合。傳統(tǒng)上，電機(jī)控制板設(shè)計(jì)包含大量分立組件，這種方法往往會(huì)增加BoM成本，使電路板布局更加困難，并提高電路板和組裝成本。 這正在推動(dòng)芯片制造商為電機(jī)電路創(chuàng)建更多集成解決方案，將驅(qū)動(dòng)、控制、信號處理和電源管理功能集成到單個(gè)器件中。集成提供的好處與多組件系統(tǒng)的缺點(diǎn)相對應(yīng)：更小、更簡單、更經(jīng)濟(jì)的集成解決方案可以加速用戶的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提供更高的性能，因?yàn)榧傻絾蝹�(gè)器件中的功能已經(jīng)過優(yōu)化，可以協(xié)同工作。 
圖1：STSPIN32F0A系統(tǒng)級封裝，是STSPIN系列集成電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器的一款產(chǎn)品（圖片來源：意法半導(dǎo)體） 意法半導(dǎo)體的STSPIN32系列就是這種朝著電機(jī)控制集成解決方案發(fā)展的新趨勢的一個(gè)例子（見圖1）。STSPIN32F0A是一個(gè)系統(tǒng)級封裝（SiP），可為驅(qū)動(dòng)三相無刷直流（BLDC）電機(jī)提供集成解決方案。它集成了三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，這些功能傳統(tǒng)上是在三個(gè)單獨(dú)的器件中實(shí)現(xiàn)的： · 具有完全保護(hù)的三重半橋式柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)電流為600mA（灌電流和拉電流）的功率MOSFET。用于高邊驅(qū)動(dòng)的自舉二極管嵌入在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部。 · 內(nèi)部DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為嵌入式微控制器內(nèi)核和外部組件提供3.3V電源。內(nèi)部12V LDO線性穩(wěn)壓器為三重柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源電壓。 · 運(yùn)算放大器可用于信號調(diào)節(jié)，例如用于放大外部并聯(lián)電阻上的電流感測信號，或調(diào)節(jié)來自霍爾位置傳感器的信號。 除了驅(qū)動(dòng)器功能之外，STSPIN32F0A SiP還集成了STM32F031微控制器，該微控制器基于Arm® Cortex®-M0處理器內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)48MHz。該32位MCU提供足夠的處理吞吐量，以運(yùn)行諸如場定向控制（FOC）之類的復(fù)雜BLDC控制算法，并提供多個(gè)模擬和通信接口以支持電機(jī)系統(tǒng)中的外設(shè)元件，例如位置傳感器和用戶控件 2. 易于配置的、運(yùn)行就緒的電機(jī)控制固件 即使可以使用現(xiàn)成的硬件平臺(tái)，仍然存在重要的開發(fā)任務(wù)：實(shí)施電機(jī)控制固件，以確保可以控制電機(jī)的速度和位置，使電機(jī)高效、安全地運(yùn)行。 使用現(xiàn)成的固件可以大大減少此開發(fā)任務(wù)。的確，對于通用電機(jī)控制算法（例如FOC和六步控制）有很多IP資源。設(shè)計(jì)人員面臨的問題是，將固件移植到特定硬件主機(jī)的難度通常比IP提供商聲稱的要困難得多。 因此，這是對評估中的任何快速開發(fā)平臺(tái)的第二項(xiàng)測試：它是否提供全面的電機(jī)控制固件？意法半導(dǎo)體的固件套件在這方面表現(xiàn)出色：意法半導(dǎo)體在STSPIN32平臺(tái)上提供了多種算法，這意味著機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)人員可以在單個(gè)主機(jī)上試驗(yàn)不同的電機(jī)控制系統(tǒng)。這使設(shè)計(jì)人員可以靈活地構(gòu)建兩個(gè)概念驗(yàn)證，其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)具有定位功能的FOC，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)六步控制和更適合于預(yù)期應(yīng)用的測試。STSPIN32平臺(tái)還可以幫助OEM在單個(gè)硬件平臺(tái)上構(gòu)建針對不同應(yīng)用的、具有不同功能的產(chǎn)品系列。
圖2：EVALKIT-ROBOT-1套件具有一個(gè)用于控制Maxon EC-i 40電機(jī)的STSPIN32F0A SiP（圖片來源：意法半導(dǎo)體） 3. 集成到更廣泛的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)中 通過滿足測試1）和2），電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)人員已經(jīng)選到了專用的電機(jī)控制硬件平臺(tái)，并帶有控制所選電機(jī)類型所需的固件。 要考慮的最后一個(gè)重要因素是將電機(jī)集成到機(jī)器人系統(tǒng)中的方法。這意味著需要考慮更廣泛的發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)的問題。 在任何機(jī)器人系統(tǒng)中，電機(jī)都只是應(yīng)用中的一個(gè)要素，盡管它很重要。如果工程師需要在多個(gè)開發(fā)環(huán)境中學(xué)習(xí)并提高生產(chǎn)力，它能夠節(jié)省開發(fā)人員的時(shí)間和精力。因此，如果電機(jī)的開發(fā)可以在與其他功能的開發(fā)相同的環(huán)境中進(jìn)行，則可以提高開發(fā)人員的效率。 對于STSPIN32系列，可以在STM32Cube（用于配置STM32系列中的任何MCU的開發(fā)環(huán)境）中配置和實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制固件。ST MCU的用戶已經(jīng)在STM32Cube中花費(fèi)了大部分開發(fā)時(shí)間。ST電機(jī)控制固件開發(fā)軟件X-CUBE-MCSDK只是STM32Cube中的一個(gè)附加模塊。因此，采用STSPIN32系列進(jìn)行電機(jī)控制的STM32用戶能夠在與其系統(tǒng)開發(fā)的所有其他元件所處的相同環(huán)境中工作，并使用相同的控件和功能。 現(xiàn)成的硬件參考設(shè)計(jì) 如我們所見，機(jī)器人市場的增長促使半導(dǎo)體制造商加緊步伐，以提供現(xiàn)成的、用于驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)器人手臂的電機(jī)控制系統(tǒng)。意法半導(dǎo)體在這一領(lǐng)域的投資特別具有吸引力，因?yàn)樗峁┝烁叨燃傻倪\(yùn)動(dòng)控制SiP、各種電機(jī)控制算法以及用于開發(fā)整個(gè)應(yīng)用的高度開發(fā)的工具套件。意法半導(dǎo)體正繼續(xù)擴(kuò)展該系列：提供250V級的STSPIN32F025x和600V級STSPIN32F060x器件，并計(jì)劃發(fā)布具有更高處理能力的新器件。 對于STSPIN32F0A用戶，通過使用意法半導(dǎo)體創(chuàng)建的基于Maxon EC-i 40電機(jī)的參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以進(jìn)一步縮短開發(fā)時(shí)間。該參考設(shè)計(jì)稱為EVALKIT-ROBOT-1，在一塊僅40mm x 40mm的單板上集成了一個(gè)STSPIN32F0A器件、一個(gè)基于ST功率MOSFET的功率級、霍爾傳感器、一個(gè)Maxon ENX 16 EASY 1024脈沖增量編碼器，以及外設(shè)組件。 其模擬電路實(shí)現(xiàn)了逆變器級驅(qū)動(dòng)、電流檢測和過流保護(hù)，MCU通過閉環(huán)位置檢測執(zhí)行FOC。該硬件隨附了用于BLDC電機(jī)中FOC位置控制的即用型固件。
圖3：EVALKIT-ROBOT-1電機(jī)開發(fā)平臺(tái)的主要技術(shù)規(guī)格（圖片來源：意法半導(dǎo)體） 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非常高的轉(zhuǎn)矩密度和非常低的齒槽轉(zhuǎn)矩，并且以其可靠、強(qiáng)大且精確的位置和速度控制而著稱。它也可以用于其他工業(yè)伺服電機(jī)控制應(yīng)用中。 富昌電子可提供EVALKIT-ROBOT-1套件，并可通過其位于德國慕尼黑的卓越工程中心為實(shí)施電機(jī)控制系統(tǒng)提供幫助和指導(dǎo)。 |
