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來源：富昌電子 作者：Martin Schiel，EMEA垂直部門經(jīng)理（嵌入式系統(tǒng)） 當一項電子功能或多或少地通用于大批量產(chǎn)品中時，半導體行業(yè)能夠協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計人員的工作，并創(chuàng)建現(xiàn)成的實施方案。芯片制造商開發(fā)的參考設(shè)計構(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、智能手機和電視機等。 現(xiàn)在可以在電機控制領(lǐng)域中觀察到這種現(xiàn)象：新型機器人設(shè)計數(shù)量的激增促使半導體制造商探索通過為小型節(jié)能電機提供先進的新參考設(shè)計平臺來減少客戶開發(fā)開銷、加快產(chǎn)品上市并增強功能的方法。 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，富昌電子對適合機器人系統(tǒng)開發(fā)人員的半導體產(chǎn)品了如指掌。在公司看來，機器人設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)該在他們評估的基于半導體的電機開發(fā)平臺中尋找三個基本要素。 本文介紹了這些要素，并通過參考意法半導體提供的平臺說明了它們?nèi)绾螏椭涌煜到y(tǒng)設(shè)計。 電機控制：對半導體廠商越來越有吸引力的市場 電機系統(tǒng)設(shè)計人員從半導體供應(yīng)商提供的快速開發(fā)平臺中受益的原因是，伺服驅(qū)動器和機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現(xiàn)日益復(fù)雜的操作，從而為機器人提供了一套新的用例，可以支持、模仿、增強或替代人類的能力，尤其是在使用人工智能（AI）進行了增強時。 據(jù)國際機器人聯(lián)合會，在近十年內(nèi)機器人技術(shù)的主要趨勢將是： · 機器人變得更聰明 數(shù)字傳感器與智能軟件相結(jié)合，可以采用直接的教學方法，即所謂的“演示編程”。未來，機器學習工具將使機器人能夠通過反復(fù)試驗或視頻演示來學習，然后自動優(yōu)化其動作。 · 機器人與人協(xié)作 當前，機器人的共享工作區(qū)域應(yīng)用是最常見的：機器人和工人并肩工作，依次完成任務(wù)。現(xiàn)在的研發(fā)工作集中在使機器人能夠?qū)崟r響應(yīng)的方法，包括語音、手勢和人類動作意圖的識別。 · 機器人邁向數(shù)字化 工業(yè)機器人是工業(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機器人技術(shù)規(guī)范定義了工業(yè)機器人的標準化通用接口，使工業(yè)機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器人和更多不同類型的機器人在更多位置執(zhí)行更多功能。每個機器人至少包含一個電機；帶有鉸接、關(guān)節(jié)、笛卡爾或其他類型手臂的機器人通常包含許多電機。因此，對電機和電機控制系統(tǒng)市場快速增長的預(yù)測，以及半導體公司對通過提供參考設(shè)計平臺來幫助電機系統(tǒng)設(shè)計人員加速產(chǎn)品開發(fā)的興趣日益增長。 在富昌電子看來，電機控制開發(fā)平臺的三個重要特性對工業(yè)用戶最有價值：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 電機控制系統(tǒng)是各功能塊的復(fù)雜組合。傳統(tǒng)上，電機控制板設(shè)計包含大量分立組件，這種方法往往會增加BoM成本，使電路板布局更加困難，并提高電路板和組裝成本。 這正在推動芯片制造商為電機電路創(chuàng)建更多集成解決方案，將驅(qū)動、控制、信號處理和電源管理功能集成到單個器件中。集成提供的好處與多組件系統(tǒng)的缺點相對應(yīng)：更小、更簡單、更經(jīng)濟的集成解決方案可以加速用戶的設(shè)計實現(xiàn)，同時提供更高的性能，因為集成到單個器件中的功能已經(jīng)過優(yōu)化，可以協(xié)同工作。 
圖1：STSPIN32F0A系統(tǒng)級封裝，是STSPIN系列集成電機控制器/驅(qū)動器的一款產(chǎn)品（圖片來源：意法半導體） 意法半導體的STSPIN32系列就是這種朝著電機控制集成解決方案發(fā)展的新趨勢的一個例子（見圖1）。STSPIN32F0A是一個系統(tǒng)級封裝（SiP），可為驅(qū)動三相無刷直流（BLDC）電機提供集成解決方案。它集成了三個電機驅(qū)動功能，這些功能傳統(tǒng)上是在三個單獨的器件中實現(xiàn)的： · 具有完全保護的三重半橋式柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動電流為600mA（灌電流和拉電流）的功率MOSFET。用于高邊驅(qū)動的自舉二極管嵌入在驅(qū)動器內(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)動器提供電源電壓。 · 運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，時鐘頻率高達48MHz。該32位MCU提供足夠的處理吞吐量，以運行諸如場定向控制（FOC）之類的復(fù)雜BLDC控制算法，并提供多個模擬和通信接口以支持電機系統(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、運行就緒的電機控制固件 即使可以使用現(xiàn)成的硬件平臺，仍然存在重要的開發(fā)任務(wù)：實施電機控制固件，以確保可以控制電機的速度和位置，使電機高效、安全地運行。 使用現(xiàn)成的固件可以大大減少此開發(fā)任務(wù)。的確，對于通用電機控制算法（例如FOC和六步控制）有很多IP資源。設(shè)計人員面臨的問題是，將固件移植到特定硬件主機的難度通常比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)平臺的第二項測試：它是否提供全面的電機控制固件？意法半導體的固件套件在這方面表現(xiàn)出色：意法半導體在STSPIN32平臺上提供了多種算法，這意味著機器人系統(tǒng)開發(fā)人員可以在單個主機上試驗不同的電機控制系統(tǒng)。這使設(shè)計人員可以靈活地構(gòu)建兩個概念驗證，其中一個實現(xiàn)具有定位功能的FOC，另一個實現(xiàn)六步控制和更適合于預(yù)期應(yīng)用的測試。STSPIN32平臺還可以幫助OEM在單個硬件平臺上構(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套件具有一個用于控制Maxon EC-i 40電機的STSPIN32F0A SiP（圖片來源：意法半導體） 3. 集成到更廣泛的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺中 通過滿足測試1）和2），電機控制系統(tǒng)開發(fā)人員已經(jīng)選到了專用的電機控制硬件平臺，并帶有控制所選電機類型所需的固件。 要考慮的最后一個重要因素是將電機集成到機器人系統(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。 在任何機器人系統(tǒng)中，電機都只是應(yīng)用中的一個要素，盡管它很重要。如果工程師需要在多個開發(fā)環(huán)境中學習并提高生產(chǎn)力，它能夠節(jié)省開發(fā)人員的時間和精力。因此，如果電機的開發(fā)可以在與其他功能的開發(fā)相同的環(huán)境中進行，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）中配置和實現(xiàn)電機控制固件。ST MCU的用戶已經(jīng)在STM32Cube中花費了大部分開發(fā)時間。ST電機控制固件開發(fā)軟件X-CUBE-MCSDK只是STM32Cube中的一個附加模塊。因此，采用STSPIN32系列進行電機控制的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 如我們所見，機器人市場的增長促使半導體制造商加緊步伐，以提供現(xiàn)成的、用于驅(qū)動和控制機器人手臂的電機控制系統(tǒng)。意法半導體在這一領(lǐng)域的投資特別具有吸引力，因為它提供了高度集成的運動控制SiP、各種電機控制算法以及用于開發(fā)整個應(yīng)用的高度開發(fā)的工具套件。意法半導體正繼續(xù)擴展該系列：提供250V級的STSPIN32F025x和600V級STSPIN32F060x器件，并計劃發(fā)布具有更高處理能力的新器件。 對于STSPIN32F0A用戶，通過使用意法半導體創(chuàng)建的基于Maxon EC-i 40電機的參考設(shè)計系統(tǒng)可以進一步縮短開發(fā)時間。該參考設(shè)計稱為EVALKIT-ROBOT-1，在一塊僅40mm x 40mm的單板上集成了一個STSPIN32F0A器件、一個基于ST功率MOSFET的功率級、霍爾傳感器、一個Maxon ENX 16 EASY 1024脈沖增量編碼器，以及外設(shè)組件。 其模擬電路實現(xiàn)了逆變器級驅(qū)動、電流檢測和過流保護，MCU通過閉環(huán)位置檢測執(zhí)行FOC。該硬件隨附了用于BLDC電機中FOC位置控制的即用型固件。
圖3：EVALKIT-ROBOT-1電機開發(fā)平臺的主要技術(shù)規(guī)格（圖片來源：意法半導體） 該系統(tǒng)實現(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施電機控制系統(tǒng)提供幫助和指導。 |
