從輔助外科手術(shù)到在制造工廠(chǎng)里舉起數千公斤的重物，機器人為我們生活的許多方面提供了便利。機器人對現代化世界的影響顯而易見(jiàn)，但您是否思考過(guò)機器人系統如何實(shí)現如此精確、快速和強大的運動(dòng)？如果答案是通過(guò)電機，那么恭喜您回答正確！

機器人往往是模仿本應由人類(lèi)執行的操作；有鑒于此，它的功能主要包括通過(guò)某種形式的位移或旋轉來(lái)調整位置和方向，這些運動(dòng)一般通過(guò)電機實(shí)現。

傳統的機器人應用場(chǎng)景主要專(zhuān)注于機械驅動(dòng)（如手臂操縱或傳送帶循環(huán)），而現代應用場(chǎng)景則簡(jiǎn)單得多，就像相機旋轉或精準機械光束轉向激光雷達傳感器。您可能會(huì )驚訝地發(fā)現，電機的基本應用是最基礎不過(guò)的風(fēng)扇和泵，但實(shí)際上卻對散熱和液壓起著(zhù)重要作用。

舉例來(lái)說(shuō)，機械臂關(guān)節中的無(wú)刷直流 (BLDC) 電機（如圖 1 所示）通常包括旋轉的轉子和保持靜止的定子。應用電信號使定子上的線(xiàn)圈繞組通電能夠形成磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生磁力，使轉子運動(dòng)，進(jìn)而旋轉機械臂內的關(guān)節。合理使用電子信號，機械臂不僅僅會(huì )運動(dòng)，更能夠以特定的速度、位置精度和扭矩運動(dòng)。

圖 1：BLDC 電機結構橫截面圖

電機如何驅動(dòng)下一代機器人

除了涉及到運動(dòng)的精確和強大任務(wù)外，微控制器 (MCU) 和集成電機驅動(dòng)器等電機控制半導體的進(jìn)步正在優(yōu)化機器人的運動(dòng)方式，而要實(shí)現這一目標卻面臨著(zhù) 4 大挑戰。 

挑戰 1：實(shí)現人機協(xié)作的安全性要求不斷提高

過(guò)去，出于安全性考慮，人類(lèi)和機器人需要嚴格分離，通常是將機器人放在籠子里。自動(dòng)化程度的提高需要更緊密的人機協(xié)作和互動(dòng)，協(xié)作機器人有助于提高工作效率，但需要能夠確保安全停止、安全速度、扭矩和運動(dòng)控制的電機。

C2000 32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在幫助滿(mǎn)足安全性要求方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。這些器件的功能安全性經(jīng)過(guò)認證，可以集成用于診斷的安全外設，從而簡(jiǎn)化符合國際標準化組織 (ISO) 10218 標準的設計。在頻譜的模擬端，DRV8353F 等智能柵極驅動(dòng)器可以通過(guò)經(jīng) TÜV SÜD 認證的技術(shù)報告幫助工程師實(shí)現其安全目標。該支持文件可指導工程師完成根據 IEC 61800-5-2 標準實(shí)現安全扭矩關(guān)閉所需的設計步驟。無(wú)論是 MCU 還是柵極驅動(dòng)器，借助某些元件都可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，實(shí)現功能安全的電機系統。

挑戰 2：通過(guò)分散式電機架構減輕重量、簡(jiǎn)化布線(xiàn)并降低成本

電機電子設備正從采用控制柜轉為直接集成到機器人關(guān)節中，這有助于減輕重量、簡(jiǎn)化布線(xiàn)并降低系統成本。這一趨勢促使元件制造商致力于開(kāi)發(fā)能在更小巧的集成電路封裝內集成更多功能的解決方案�？臻g限制也要求具備更高的功率密度和電源效率。

氮化鎵場(chǎng)效應晶體管（如 LMG3422R050）集成了柵極驅動(dòng)器，可以將功率級效率提高到 99% 以上，從而使集成電機減少或消除對散熱器的需求。借助實(shí)時(shí)通信外設和絕對編碼器接口，采用 TMS320F28065 等 MCU 的系統可以產(chǎn)生分辨率為皮秒級的脈寬調制信號。這些特性實(shí)現了將布線(xiàn)從每個(gè)電機 10 多條電纜減少到整個(gè)機械臂共兩條總線(xiàn)。在此配置中使用 MCU 和 GaN 場(chǎng)效應晶體管，使設計人員能夠通過(guò)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（如 DP83TG721）添加單對以太網(wǎng)功能來(lái)優(yōu)化有線(xiàn)連接。

挑戰 3：實(shí)現精確運動(dòng)任務(wù)自動(dòng)化需要更高的精度和準確度

產(chǎn)品小型化對許多應用的電機選擇（伺服、步進(jìn)或無(wú)刷直流電機）產(chǎn)生了一定影響，并且電機控制和位置反饋復雜性隨之提高，以便能夠實(shí)現與這些小型產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)的精確運動(dòng)。半導體創(chuàng )新使實(shí)現產(chǎn)品小型化所需的更高精度成為可能。例如， AMC3306 等電流傳感器具有± 50µV 失調電壓和集成式電源。將這些特性集于一個(gè)封裝中，既可以提高控制回路的精度，又可以縮減印刷電路板的整體尺寸。

挑戰 4：優(yōu)化電源效率，實(shí)現電池供電的移動(dòng)應用

機器人并不只是固定于一處，其應用正趨向于移動(dòng)化，用于幫助自動(dòng)遞送包裹和安全探索地形。當前和未來(lái)用于感應、處理和實(shí)時(shí)控制應用的半導體需要在高性能和電源效率之間實(shí)現平衡，從而確保合理的電池使用壽命和可能的行程范圍。

實(shí)現高電源效率并不一定十分復雜，也不需要使用多個(gè)分立元件的復雜設計方法。例如，像 MCT8316A 這樣的單電機控制器可以通過(guò)減少機器人中功耗元件的數量來(lái)有效地操作小型泵和風(fēng)扇電機。這款高度集成的器件包括六個(gè)金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，可形成用于輸送電機電流的半橋功率級，以及一個(gè)數字核心，無(wú)需編寫(xiě)代碼即可實(shí)現簡(jiǎn)單的梯形電機控制。  

電機控制的未來(lái)發(fā)展前景如何？

未來(lái)的機器人定會(huì )超乎想象，它們能輕松完成今天看來(lái)不可能完成的任務(wù) - 頻繁在海洋最深的海溝中作業(yè)，或在未知的太空中冒險。新型設計可能會(huì )采用越來(lái)越先進(jìn)的傳感器，正如我們目前所看到的激光雷達和超聲波技術(shù)。從過(guò)去的有線(xiàn)機器人到現在更多地采用面向軟件的解決方案，我們與機器人交流的方式甚至可能發(fā)生變化�？稍L(fǎng)問(wèn)性的增強使得能夠通過(guò)語(yǔ)音、視覺(jué)表達甚至僅僅是思維來(lái)更可靠地控制機器人。在這種演變過(guò)程中，隨著(zhù)機器人技術(shù)和應用的不斷發(fā)展，驅動(dòng)其運動(dòng)所需的電機也勢必不斷發(fā)展。