Rekayasa Kontrol Motor Presisi untuk Sistem Robotik Canggih

Sebuah manipulator robotik dapat diprogram pada tiga atau lebih sumbu yang menentukan gerakan robot, baik lengan robot atau tubuh. Manipulator robotik ini dikontrol otomatis dan dapat diprogram ulang tanpa modifikasi fisik, dan dapat disesuaikan dengan berbagai aplikasi sistem kontrol. Awalnya dirancang untuk menangani aplikasi di lingkungan yang keras atau tidak dapat diakses, sistem industri saat ini semakin kompleks dan mengintegrasikan robotika yang melakukan banyak operasi yang sebelumnya manual dengan cara yang lebih presisi dan lebih cepat daripada yang bisa dilakukan manusia.

Sistem robotik terutama terdiri dari empat subsistem: mekanis,aktuator, pengukuran, dan kontrol. Tantangan utama adalah bahwa persyaratan untuk kecepatan rendah dan torsi tinggi untuk kontrol gerakan sendi tidak memungkinkan karakteristik mekanis servomotor untuk digunakan secara efektif, yang, sebaliknya, menghasilkan kecepatan tinggi dan torsi rendah dalam kondisi operasi optimum.

Oleh karena itu, fungsi unit drive adalah untuk memastikan bahwa kecepatan dan torsi motor dan beban kompatibel dan memungkinkan transfer torsi mekanis dari satu ke yang lain. Komponen transmisi juga memungkinkan untuk meningkatkan performa statis dan dinamis dengan meringankan struktur mekanis melalui penempatan motor di dasar robot.

Gerakan sendi dipegang kepada motor yang memungkinkan gerakan yang diinginkan dari struktur mekanis. Di antara tiga tipe utama — magnet permanen, arus langsung (brushed), dan komutasi elektronik (brushless) motor listrik — yang paling baik mengoptimalkan persyaratan untuk inersia rendah dan akurasi penempatan tinggi adalah motor DC brushless, atau BLDC.

Gambar 1: Diagram motor DC brushless (Gambar: Portescap)

BLDC tidak memiliki komutasi mekanis dibandingkan motor brushed yang menggunakan komutasi mekanis di mana armature berputar dengan brush digunakan untuk membuat koneksi listrik.

Pengurangan bagian yang bergerak memberikan motor brushless umur panjang, terbatas hanya oleh aus bantulan bola. Selain itu, gulungan meningkatkan dissipasi panas dan kapasitas beban berlebih, menawarkan efisiensi tinggi dibandingkan solusi DC lainnya.

Karena tidak ada brush, BLDC juga menunjukkan daya tahan yang luar biasa dan karakteristik kebisingan rendah. Ada dua tipe struktur utama: surface permanent magnet (SPM) dan internal permanent magnet (IPM). Motor SPM memiliki magnet yang ditempatkan di luar permukaan rotor. Motor IPM, sebaliknya, memiliki magnet permanen yang disematkan ke dalam rotor itu sendiri.

Motor DC dan driver

BLDC menawarkan efisiensi tinggi, tetapi di atasnya, nilai torsi dan kecepatan yang luar biasa yang digunakan dalam banyak aplikasi. Mereka menggunakan magnet stasioner dengan armature berputar yang menggabungkan berbagai bagian untuk menyediakan komutasi elektronik.

Desain BLDC bertujuan untuk mengoptimalkan torsi, yang mewakili jumlah gaya rotasi dari motor, dan terkait dengan magnet dan gulungan coil. Semakin banyak pasang kutub dalam magnet, semakin besar torsi motor.

Salah satu contoh adalah platform Ultra EC Portescap, terdiri dari tiga keluarga — ECS, ECT, dan ECP. Keluarga motor mini brushless ini, tergantung pada persyaratan torsi dan kecepatan, dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Coil U yang dipatenkan menawarkan kehilangan besi minimal, yang memberikan efisiensi yang baik, dan operasi lebih dingin (Gambar 2).

Gambar 2: Motor Ultra EC Portescap (Gambar: Portescap)

Motor brushless EC-i Maxon Motor AG tersedia dalam diameter kecil yang cocok untuk aplikasi robotik. Mereka menawarkan diameter 30-mm dan dikenal dengan fitur dinamis tinggi dan torsi tinggi.

Keluarga EC-i tersedia dalam beberapa ukuran, masing-masing dalam versi standar dan versi torsi tinggi, dengan torsi nominal maksimum hingga 110 mNm pada 75 W. Dalam semua versi, motor EC-i 30 dapat diperluas dengan encoder, gearbox, servo controller, atau positioning controller (Gambar 3).

Gambar 3: Motor EC-i Maxon Motor (Gambar: Maxon Motor)

STMicroelectronics, bersama dengan Maxon, telah mengembangkan kit baru untuk mempercepat desain aplikasi robotik dan industri. Kit EVALKIT-ROBOT-1 menawarkan penempatan yang presisi dalam aplikasi robotik.

Kit berisi STSPIN32F0A intelligent three-phase controller dan complete inverter stage, built with ST power transistors ready for connection to the motor. The STSPIN32F0A contains critical motor control circuits, including an STM32F031C6 microcontroller dan three-phase inverter driver in a compact 7 × 7-mm VFQFPN package (Gambar 4).

Motor control firmware memungkinkan desainer untuk memulai mesin dan mulai mengirim perintah untuk dengan mudah mengoptimalkan proyek mereka. Kit termasuk motor BLDC Maxon 100-W (EC-i 40) dengan incremental encoder 1024-pulse built-in. Juga termasuk Hall sensors untuk deteksi posisi rotor.

Gambar 4: Development kit ST EVALKIT-ROBOT-1 (Gambar: STMicroelectronics)

Motor BLDC cukup efisien, tetapi tekanan untuk memenuhi tuntutan yang semakin ketat memerlukan perusahaan untuk meningkatkan tidak hanya konstruksi motor tetapi juga driver. Secara khusus, mereka bekerja untuk mengurangi konsumsi energi keseluruhan dan mengoptimalkan manajemen termal.

Dalam banyak kasus, desain ini menggabungkan driver terintegrasi yang meminimalkan jumlah komponen eksternal yang diperlukan dan solusi system-on-chip yang memungkinkan tingkat integrasi yang tinggi. Manfaat meliputi penghematan ruang dan energi, keandalan sistem keseluruhan yang ditingkatkan, dan biaya yang dikurangi.

Karena motor BLDC tidak memiliki struktur untuk beralih arah arus secara mekanis, ini harus dilakukan secara elektronik. Waveform dapat dibagi menjadi dua tipe utama: trapezoidal dan sinusoidal. Karena batasan suhu dan biaya, ada kasus di mana posisi rotor (magnet) diestimasi dari arus tiga fasa atau tegangan terinduksi tanpa menggunakan sensor.

Driver harus memastikan kontrol motor yang benar sehingga mereka dapat mengontrol kecepatan dan arah dengan sesuai dalam aplikasi. Mikrokontroler (MCU) modern sempurna untuk menyediakan tingkat performa dan fungsionalitas komputasi yang diperlukan untuk mengembangkan loop kontrol efisiensi tinggi untuk motor listrik DC (dan AC).

Banyak MCU mendukung fungsi pengolahan sinyal yang memungkinkan algoritma kompleks untuk diproses secara real-time menggunakan data penempatan. Ini penting karena semakin banyak aplikasi yang mencoba untuk menghilangkan sensor yang menyediakan data penempatan. Ada banyak MCU yang memiliki periferal yang dirancang khusus untuk aplikasi kontrol motor.

Misalnya, mikrokontroler RL78/G14 Renesas Electronics menyeimbangkan tingkat konsumsi arus dengan level drain arus rendah (66 μ/MHz saat CPU beroperasi dan 240 nA dalam standby, atau mode STOP), menawarkan performa perhitungan tinggi 51.2 DMIPS (32 MHz). Fungsi keselamatan terintegrasi mendukung standar keselamatan, IEC/UL 60730, untuk peralatan rumah tangga.

Dalam motor BLDC, drive juga menjadi lebih kompleks. Kecepatan dan torsi dikontrol oleh rasio durasi on/off dari transients; biasanya, ini berupa sinyal PWM yang digunakan untuk mendorong gulungan. Kondisi ini semakin rumit dengan penggunaan motor single-phase, two-phase, dan three-phase. Kini, banyak perangkat terintegrasi yang digunakan sebagai drive stage. Biasanya, mereka termasuk gate driver untuk mendorong power MOSFET eksternal yang digunakan untuk menggerakkan hingga tiga fasa motor.

Motor membutuhkan jumlah arus yang besar sementara sirkuit kontroler beroperasi pada sinyal arus rendah. Jadi fungsi motor driver adalah untuk mengambil sinyal kontrol arus rendah dan kemudian mentransformasinya menjadi sinyal arus lebih tinggi yang dapat mendorong motor.

Infineon Technologies AG menawarkan berbagai produk terintegrasi untuk mengontrol variable speed drive. iMOTION ICs mengintegrasikan semua fungsi kontrol dan antarmuka analog yang diperlukan untuk sensorless field-oriented control (FOC). Selain itu, mereka menawarkan algoritma motor control engine (MCE) teruji perusahaan yang menghilangkan pengkodean software dari proses pengembangan protokol kontrol.

Penghemat ruang lainnya adalah smart gate driver dari Texas Instruments Inc. (TI). Driver ini mengintegrasikan komponen pasif untuk mengurangi ukuran papan, jumlah komponen, kompleksitas, dan biaya desain. Mereka juga memungkinkan desainer untuk mengoptimalkan switching dan performa interferensi elektromagnetik (EMI).

Dalam portofolio driver yang luasnya, TI menawarkan DRV8313 dengan tiga half-H-bridge driver yang dapat dikontrol secara individu. Perangkat ini dirancang untuk mendorong motor DC brushless tiga fasa, meskipun juga dapat digunakan untuk mendorong solenoid atau beban lain. Comparator terintegrasi memungkinkan konstruksi sirkuit pembatas arus atau fungsi lain.

Contoh lain adalah IC driver motor brushless tiga fasa TC78B025FTG dengan fungsi kontrol kecepatan closed-loop dari Toshiba Electronic Devices & Storage Corp. Perangkat ini beroperasi dengan supply voltage dalam rentang 4.5 V hingga 16 V dan menyediakan sine drive dengan switching 150°. Resistensi ON rendah 0,2 Ω (typ.) mengurangi self-heating IC selama operasi, sehingga memperluas dukungan untuk driving arus tinggi.

Isolasi listrik

Secara umum, desainer motor listrik tahu bahwa mereka harus mematuhi standar isolasi internasional untuk mencegah interferensi dari sumber eksternal dan memastikan keselamatan listrik pengguna. Penggunaan isolasi digital menawarkan beberapa manfaat, termasuk respons lebih cepat, yang memungkinkan integrasi perlindungan overcurrent dan downtime yang dikurangi. Ini memberikan variasi output yang lebih progresif, sehingga meningkatkan kontrol torsi.

Karena photokopler didasarkan pada teknologi optoelektronik, mereka adalah metode yang sangat kuat untuk memastikan isolasi listrik tanpa kontak fisik. Ini menawarkan banyak keuntungan dibandingkan pendekatan tradisional berdasarkan komponen elektromekanis seperti relay. Manfaat utama meliputi operasi bebas aus, biaya komponen komplementer yang relatif rendah, ruang papan minimal, imunitas EMI, keandalan tinggi, dan umur operasi panjang.

Dalam aplikasi drive motor, dua bagian utama sirkuit yang memerlukan isolasi: gate drive untuk insulated gate bipolar transistor, atau IGBT (perangkat dengan kolektor dan emitter di satu sisi dan didorong oleh gate di sisi lain), di bridge inverter dan deteksi fasa arus dalam motor. Pemantauan arus fasa memberikan perlindungan untuk IGBT dan feedback ke controller untuk mempertahankan kontrol dalam closed-loop current.

Berikut adalah beberapa contoh photokopler yang dapat digunakan dalam aplikasi robotik:

Photokopler RV1S92xxA dan RV1S22xxA, dengan panjang paket 2,5 mm, dari Renesas Electronics Corp. memungkinkan area PCB dikurangi sebesar 35% dibandingkan perangkat serupa, membantu desainer mengurangi ukuran sistem robotik mereka. Berkat isolasi reinforced mereka, RV1S92xxA dan RV1S22xxA memungkinkan sistem 200-V dan 400-V untuk melebihi standar keselamatan. Semua perangkat mematuhi standar kontrol motor UL61800-5-1 yang ketat dan UL61010-2-201, yang berlaku untuk sistem kontrol seperti PLC (Gambar 5).

Gambar 5: Tampilan potongan lintang RV1S92xxA dan RV1S22xxA Renesas Electronics (Gambar: Renesas)

Toshiba TLP5214 adalah IGBT gate drive photokopler output current 4-A yang terintegrasi tinggi housed in a SO16L package. TLP5214 memiliki fitur bawaan canggih seperti IGBT desaturation detection, isolated fault status feedback, soft IGBT shutdown, active Miller blocking, dan undervoltage blocking (UVLO). Ini cocok untuk mengemudikan IGBT dan power MOSFET yang digunakan dalam aplikasi inverter.

Kesimpulan

Baik motor digunakan dalam lingkungan operasi industri atau non-industri, desain kontrol motion high-end dengan kemampuan penempatan yang akurat adalah kompleks dan memerlukan solusi drive yang sangat andal dan konstruksi mekanis yang optimal.

Dalam beberapa tahun terakhir, motor listrik juga telah dikaitkan dengan aplikasi robotik yang muncul seperti drone dan Agriculture 4.0, yang telah melihat kemajuan yang dipercepat berkat sistem manufaktur baru seperti rapid prototyping, sistem operasi yang didedikasikan, dan sistem kontrol terintegrasi.