Merancang kontrol motor untuk sistem robot

Manipulator robot dapat diprogram pada tiga sumbu atau lebih yang menentukan gerakan robot, baik lengan atau tubuh robot. Manipulator robotik ini secara otomatis dikendalikan 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 manual sebelumnya dengan cara yang lebih tepat dan lebih cepat daripada yang dapat dilakukan manusia.

Sebuah sistem robotik terutama terdiri dari empat subsistem:mekanik, aktuator, pengukuran, dan kontrol. Tantangan utama adalah bahwa persyaratan untuk kecepatan rendah dan torsi tinggi untuk kontrol gerak sambungan tidak memungkinkan karakteristik mekanis servomotor untuk dimanfaatkan secara efektif, yang, sebaliknya, menghasilkan kecepatan tinggi dan torsi rendah dalam kondisi pengoperasian yang optimal.

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

Gerakan sendi dipercayakan ke motor yang memungkinkan gerakan yang diinginkan dari struktur mekanik. Di antara tiga jenis utama — magnet permanen, motor listrik arus searah (disikat), dan pergantian elektronik (tanpa sikat) — salah satu yang paling mengoptimalkan persyaratan untuk inersia rendah dan akurasi pemosisian tinggi adalah motor DC tanpa sikat, atau BLDC.

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

BLDC tidak memiliki sakelar mekanis dibandingkan dengan motor yang disikat yang menggunakan sakelar mekanis di mana armatur yang berputar dengan sikat digunakan untuk membuat sambungan listrik.

Pengurangan bagian yang bergerak memberikan umur panjang pada motor tanpa sikat, hanya dibatasi oleh keausan bantalan bola. Selain itu, belitan meningkatkan pembuangan panas dan kapasitas kelebihan beban, menawarkan efisiensi tinggi dibandingkan dengan solusi DC lainnya.

Karena kurangnya kuas, BLDC juga menunjukkan daya tahan yang sangat baik dan karakteristik kebisingan yang rendah. Ada dua jenis utama struktur:magnet permanen permukaan (SPM) dan magnet permanen internal (IPM). Motor SPM memiliki magnet yang melekat pada bagian luar permukaan rotor. Sebaliknya, motor IPM memiliki magnet permanen yang tertanam ke dalam rotor itu sendiri.

Motor dan driver DC

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

Perancangan BLDC bertujuan untuk mengoptimalkan torsi, yang mewakili besarnya gaya putar motor, dan terkait dengan magnet dan lilitan kumparan. Semakin banyak jumlah pasangan kutub dalam magnet, semakin besar torsi motor.

Salah satu contohnya adalah platform Ultra EC Portescap, yang terdiri dari tiga keluarga — ECS, ECT, dan ECP. Keluarga motor mini tanpa sikat ini, bergantung pada persyaratan torsi dan kecepatan, dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Kumparan U yang dipatenkan menawarkan kerugian besi minimal, yang menghasilkan efisiensi yang baik, dan operasi yang 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 robot. Mereka menawarkan diameter 30 mm dan dicirikan oleh 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. Di semua versi, motor EC-i 30 dapat diperluas dengan encoder, gearbox, pengontrol servo, atau pengontrol pemosisian (Gambar 3 ).

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

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

Kit ini berisi pengontrol tiga fase STSPIN32F0A cerdas ST dan tahap inverter lengkap, dibangun dengan transistor daya ST yang siap untuk dihubungkan ke motor. STSPIN32F0A berisi sirkuit kontrol motor penting, termasuk mikrokontroler STM32F031C6 dan driver inverter tiga fase dalam paket VFQFPN 7 × 7 mm yang ringkas (Gambar 4 ).

Firmware kontrol motor memungkinkan desainer untuk menghidupkan mesin dan mulai mengirim perintah untuk mengoptimalkan proyek mereka dengan mudah. Kit ini mencakup motor Maxon BLDC 100-W (EC-i 40) dengan encoder inkremental 1024-pulsa bawaan. Juga termasuk sensor Hall untuk deteksi posisi rotor.

Gambar 4:Kit pengembangan ST EVALKIT-ROBOT-1 (Gambar:STMicroelectronics)

Motor BLDC cukup efisien, tetapi tekanan untuk memenuhi tuntutan yang semakin ketat menuntut perusahaan untuk meningkatkan tidak hanya konstruksi motor tetapi juga pengemudi. Secara khusus, mereka bekerja untuk mengurangi konsumsi energi secara 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 integrasi tingkat tinggi. Manfaatnya mencakup penghematan ruang dan energi, peningkatan keandalan sistem secara keseluruhan, dan pengurangan biaya.

Karena BLDC tidak memiliki struktur untuk mengalihkan arah arus secara mekanis, hal ini harus dilakukan secara elektronik. Bentuk gelombang dapat dibagi menjadi dua jenis utama:trapesium dan sinusoidal. Karena keterbatasan suhu dan biaya, terkadang posisi rotor (magnet) diperkirakan dari arus tiga fasa atau tegangan induksi tanpa menggunakan sensor.

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

Banyak MCU mendukung fungsi pemrosesan sinyal yang memungkinkan algoritme kompleks diproses secara waktu nyata menggunakan data pemosisian. Ini penting karena semakin banyak aplikasi yang mencoba menghilangkan sensor yang menyediakan data pemosisian. Ada banyak MCU yang memiliki periferal yang dirancang khusus untuk aplikasi kontrol motor.

Misalnya, mikrokontroler RL78/G14 Renesas Electronics menyeimbangkan tingkat konsumsi saat ini dengan tingkat pengurasan arus yang rendah (66 /MHz saat CPU sedang beroperasi dan 240 nA dalam mode siaga, atau STOP), menawarkan kinerja kalkulasi tinggi dari 51,2 DMIPS (32 MHz). Fungsi keselamatan terintegrasi mendukung standar keselamatan, IEC/UL 60730, untuk peralatan rumah tangga.

Pada motor BLDC, penggeraknya juga menjadi lebih kompleks. Kecepatan dan torsi dikendalikan oleh rasio durasi on/off transien; biasanya, ini berbentuk sinyal PWM yang digunakan untuk menggerakkan belitan. Kondisi ini semakin diperumit dengan penggunaan motor satu fasa, dua fasa, dan tiga fasa. Saat ini, banyak perangkat terintegrasi digunakan sebagai drive stage. Biasanya, mereka menyertakan driver gerbang untuk menggerakkan MOSFET daya eksternal yang digunakan untuk mengeksitasi hingga tiga fase motor.

Motor membutuhkan jumlah arus yang tinggi sementara rangkaian pengontrol beroperasi pada sinyal arus rendah. Jadi fungsi dari driver motor adalah mengambil sinyal kontrol arus rendah dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal arus tinggi yang dapat menggerakkan motor.

Infineon Technologies AG menawarkan berbagai produk terintegrasi untuk mengontrol penggerak kecepatan variabel. IC iMOTION mengintegrasikan semua kontrol dan fungsi antarmuka analog yang diperlukan untuk kontrol berorientasi bidang (FOC) tanpa sensor. Selain itu, mereka menampilkan algoritme mesin kontrol motor (MCE) yang telah terbukti dari perusahaan yang menghilangkan pengkodean perangkat lunak dari proses pengembangan protokol kontrol.

Penghemat ruang lainnya adalah driver gerbang pintar 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 kinerja switching dan interferensi elektromagnetik (EMI).

Dalam portofolio drivernya yang luas, TI menawarkan DRV8313 dengan tiga driver half-H-bridge yang dapat dikontrol secara individual. Perangkat ini dirancang untuk menggerakkan motor DC brushless tiga fase, meskipun dapat juga digunakan untuk menggerakkan solenoida atau beban lainnya. Komparator terintegrasi memungkinkan konstruksi sirkuit pembatas arus atau fungsi lainnya.

Contoh lain adalah IC driver motor tiga fase brushless TC78B025FTG dengan fungsi kontrol kecepatan loop tertutup dari Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. Perangkat beroperasi dengan catu daya dalam rentang tegangan 4,5 V hingga 16 V dan menyediakan penggerak sinus dengan 150 ° beralih. Resistansi ON rendah 0,2 (tip.) mengurangi pemanasan sendiri IC selama operasi, sehingga memperluas dukungan ke arus penggerak tinggi.

Isolasi listrik

Secara umum, perancang motor listrik tahu bahwa mereka harus mematuhi standar isolasi internasional untuk mencegah gangguan dari sumber eksternal dan untuk memastikan keselamatan listrik pengguna. Penggunaan isolasi digital menawarkan beberapa manfaat, termasuk respons yang lebih cepat, yang memungkinkan integrasi perlindungan arus berlebih dan pengurangan waktu henti. Ini memberikan variasi tegangan keluaran yang lebih progresif, sehingga meningkatkan kontrol torsi.

Karena photocoupler didasarkan pada teknologi optoelektronik, mereka adalah metode yang sangat kuat untuk memastikan isolasi listrik tanpa kontak fisik apa pun. Ini menawarkan banyak keuntungan dibandingkan pendekatan tradisional berdasarkan penggunaan komponen elektromekanis seperti relai. Manfaat utama meliputi pengoperasian bebas aus, biaya komponen pelengkap yang relatif rendah, ruang papan minimal, kekebalan EMI, keandalan tinggi, dan masa pakai pengoperasian yang lama.

Dalam aplikasi penggerak motor, dua bagian utama dari rangkaian memerlukan isolasi:penggerak gerbang untuk transistor bipolar gerbang terisolasi, atau IGBT (perangkat dengan kolektor dan emitor di satu sisi dan digerakkan oleh gerbang di sisi lain), di inverter jembatan dan deteksi fase arus di motor. Penginderaan fase-arus memberikan perlindungan ke IGBT dan umpan balik ke pengontrol untuk mempertahankan kontrol atas arus loop tertutup.

Berikut adalah beberapa contoh photocoupler yang dapat digunakan dalam aplikasi robot:

Photocoupler RV1S92xxA dan RV1S22xxA, dengan panjang paket 2,5 mm, dari Renesas Electronics Corp. memungkinkan area PCB berkurang 35% dibandingkan perangkat serupa, membantu desainer mengurangi ukuran sistem robot mereka. Berkat insulasi yang diperkuat, RV1S92xxA dan RV1S22xxA memungkinkan sistem 200-V dan 400-V melampaui 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 penampang RV1S92xxA dan RV1S22xxA Renesas Electronics (Gambar:Renesas)

TLP5214 Toshiba adalah photocoupler penggerak gerbang IGBT arus keluaran 4-A yang sangat terintegrasi yang ditempatkan dalam paket SO16L. TLP5214 memiliki fitur bawaan yang canggih seperti deteksi desaturasi IGBT, umpan balik status kesalahan terisolasi, shutdown IGBT lunak, pemblokiran Miller aktif, dan pemblokiran undervoltage (UVLO). Sangat cocok untuk menggerakkan IGBT dan MOSFET daya yang digunakan dalam aplikasi inverter.

Kesimpulan

Baik motor digunakan di lingkungan operasi industri atau non-industri, desain kontrol gerak kelas atas dengan kemampuan pemosisian yang akurat sangatlah rumit dan memerlukan solusi penggerak yang sangat andal dan konstruksi mekanis yang optimal.

Dalam beberapa tahun terakhir, motor listrik juga telah dikaitkan dengan aplikasi robot yang muncul seperti drone dan Pertanian 4.0, yang telah mengalami kemajuan yang dipercepat berkat sistem manufaktur baru seperti pembuatan prototipe cepat, sistem operasi khusus, dan sistem kontrol terintegrasi.