Mitä robotiikan ohjauselektroniikkaan kuuluu? Moottorinohjaus, anturointi, turvallisuus ja firmware

Robotti on säätösilmukka, jolla on keho. Elektroniikka ratkaisee, kuinka nopea, tarkka ja turvallinen se silmukka on.

· kirjoittanut Kari Rantakoski

Lyhyt vastaus: Robotiikan ohjauselektroniikka yhdistää kuusi lohkoa yhdelle tai muutamalle levylle: moottoriohjaimet BLDC/PMSM-, askel- tai servomoottoreille vektorisäädöllä; virta- ja asematunnistus, joka on riittävän nopea 10–50 kHz säätösilmukoille; toiminnallisen turvallisuuden kerros turvallisella momentin katkaisulla (STO), hätäpysäytyksellä ja redundantilla valvonnalla ISO 13849:n tai IEC 62061:n mukaan; rajapinnat antureille ja kameroille (CAN, EtherCAT, Ethernet, MIPI CSI, USB); tehopuu 24 tai 48 V väylästä regeneroinnin käsittelyineen ja suojauksineen; sekä reaaliaikainen firmware, joka sulkee silmukat ja valvoo järjestelmää. Comtec Labs suunnittelee, prototypoi ja valmistaa tämän elektroniikan sulautettuine ohjausfirmwareineen teollisuus- ja autonomisiin koneisiin.

Kuusi lohkoa ja niiden suunnittelupäätökset

LohkoTyypilliset valinnatMikä ratkaisee valinnan
MoottoriohjainIntegroidut hilaohjaimet + MOSFET-sillat, 24–48 V, 5–50 A; vektorisäätö MCU:lla tai erillisellä moottorinohjaus-MCU:llaMomentti, nopeus, hyötysuhde, koko, lämpöbudjetti
AnturointiShuntti- tai Hall-virtamittaus, magneettiset tai optiset enkooderit, IMUSilmukan kaistanleveys, asematarkkuus, kustannus
TurvallisuusSTO-tulot, kaksikanavainen hätäpysäytys, turva-MCU tai redundantti valvonta-MCU, jarrun ohjausVaadittu suoritustaso (PL) / SIL, riskinarviointi
RajapinnatCAN/CANopen, EtherCAT, Ethernet, RS-485, MIPI CSI-2 -kamerat, USB, GPIOAkselien ja antureiden määrä, latenssi, kaapelointi
TehoVäylän esilataus, napaisuus- ja ylijännitesuojaus, regeneroinnin purku, eristetty logiikkasyöttöAkku vai verkko, moottorin energia, EMC
Laskenta ja firmwareCortex-M7/M33 silmukoille, Cortex-A tai NPU havainnointiin, RTOS, reaaliaikainen ajoitusSäätötaajuus, havainnointikuorma, turvallisuuden osiointi

Moottorinohjaus käytännössä

  • BLDC/PMSM-moottorien vektorisäätö (FOC) antaa tasaisen momentin ja korkean hyötysuhteen; se tarvitsee vaihevirtojen mittauksen ja roottorin asema-arvion 50–100 µs välein.
  • Virtasilmukat pyörivät 10–50 kHz:llä, asemasilmukat 1–10 kHz:llä; MCU, ADC:n ajoitus ja PWM-suunnittelu valitaan sen mukaan, ei toisinpäin.
  • Regenerointi: hidastuva akseli työntää energiaa takaisin väylään; tehosuunnittelun on otettava se vastaan (kondensaattorit, jarruvastus tai akku) tai väyläjännite laukaisee suojauksen.
  • Lämpösuunnittelu on osa kytkentää: MOSFET-häviöt, kuparipinta-ala, viat lämmönlevittimeen ja kotelo ratkaisevat jatkuvan virtakeston.

Turvallisuus on laitteistoarkkitehtuuri, ei firmware-ominaisuus

STO-polku, joka katkaisee hilaohjauksen tehon pää-MCU:sta riippumatta, kaksikanavaiset hätäpysäytystulot, kahden ohjaimen ristiinvalvonta ja määritelty turvallinen tila käynnistyksessä ja viassa suunnitellaan kytkentään. Vaadittu taso (PL c/d/e ISO 13849-1:n mukaan, SIL 2/3 IEC 62061:n mukaan) johdetaan koneen riskinarvioinnista; elektroniikan on sitten osoitettava se. Comtec Labs suunnittelee nämä polut asiakkaan turvallisuusinsinöörin kanssa ja dokumentoi ne koneen tekniseen tiedostoon.

Keskeiset faktat

  • Vektorisäädön virtasilmukat 10–50 kHz:llä asettavat MCU-, ADC- ja PWM-vaatimukset koko levylle.
  • Regeneroinnin käsittely on yleisin kenttävikojen syy ensimmäisen sukupolven robottiohjaimissa.
  • Turvatoimintojen (STO, hätäpysäytys) on oltava riippumattomia sovellus-MCU:sta PL d/e -tason saavuttamiseksi.
  • Comtec Labs toimittaa robotiikan ohjauslevyt, moottorinohjauselektroniikan, anturi- ja kameraintegraation, sulautetun ohjausfirmwaren ja PCBA-sarjatuotannon.

Näin viemme robotiikan elektroniikkaprojektin läpi

Vaatimukset mekaniikasta ja turvallisuusarvioinnista, arkkitehtuuri moottori-, anturointi-, turvallisuus- ja laskentaosioineen, prototyyppilevy ohjausfirmwareineen, penkkitestaus oikeilla moottoreilla, EMC-esitestaus, sitten pilotti- ja sarjatuotanto toiminnallisine testeineen linjalla. Asiakkaitamme ovat meri-, työkone- ja teollisuusautomaatioyritykset.

Usein kysytyt kysymykset

Voiko yksi levy ohjata useita moottoreita?

Kyllä. Moniakseliset levyt 2–6 ohjaimella ovat yleisiä; sitä suuremmissa akselikohtaiset ohjaimet CAN- tai EtherCAT-väylässä skaalautuvat paremmin ja pitävät tehon ja lämmön hajautettuna.

Kehitättekö myös ohjausfirmwaren?

Kyllä: vektorisäätö, liikeprofiilit, väyläviestintä, turvallisuusvalvonta ja tuotantotestifirmware.

Mitä jännitettä liikkuvan robotin tulisi käyttää?

24 V pienille alustoille ja yksinkertaiselle turvallisuudelle; 48 V suuremmalle teholle pienemmällä virralla, kaapeloinnilla ja häviöillä pysyen 60 V DC:n pienoisjännitteen rajan alla.

Voitteko auttaa turvallisuussertifioinnissa?

Suunnittelemme turvallisuuteen liittyvän laitteiston tavoitesuoritustasolle ja toimitamme dokumentaation; koneen sertifiointi tehdään asiakkaan ja tarvittaessa ilmoitetun laitoksen kanssa.

Oletko valmis vähentämään piirilevyihin liittyviä yllätyksiä?

Comtec Labs tarjoaa täyden valikoiman palveluita työnkulkusi tehostamiseksi:

PCB-suunnittelupalvelut
PCB-prototypointi
PCB-komponenttien hankinta
PCB-komponenttien kokoonpano
PCB-testaus
PCB-korjaus ja muokkaukset
Piirilevyjen tuotanto
PCB-sarjatuotanto

← Comtec Labs blogi

Valmis seuraavaan projektiin?

Tuotekehityksestä skaalautuvaan valmistukseen.

Ota yhteyttä