ตั้งแต่การช่วยเหลือในการผ่าตัดไปจนถึงการยกน้ำหนักหลายพันกิโลกรัมในโรงงานผลิต หุ่นยนต์ช่วยชีวิตเราในด้านต่างๆ ผลกระทบของหุ่นยนต์ต่อโลกสมัยใหม่นั้นชัดเจน แต่คุณเคยคิดบ้างไหมว่าระบบหุ่นยนต์บรรลุการเคลื่อนไหวที่แม่นยำ รวดเร็ว และทรงพลังเช่นนี้ได้อย่างไร ถ้าคำตอบคือผ่านมอเตอร์ ยินดีด้วย!
หุ่นยนต์มีแนวโน้มที่จะเลียนแบบปฏิบัติการที่มนุษย์จะทำ ด้วยเหตุนี้ ฟังก์ชันการทำงานส่วนใหญ่ประกอบด้วยการปรับตำแหน่งและการวางแนวผ่านการกระจัดหรือการหมุนบางรูปแบบ โดยทั่วไปจะผ่านทางมอเตอร์
แม้ว่าการใช้งานหุ่นยนต์แบบดั้งเดิมจะเน้นไปที่การกระตุ้นเชิงกลเป็นหลัก (เช่น การควบคุมแขนหรือการวนรอบสายพานลำเลียง) การใช้งานสมัยใหม่นั้นง่ายกว่ามาก เช่น การหมุนกล้อง หรือการบังคับทิศทางด้วยลำแสงเชิงกลที่มีความแม่นยำสำหรับเซ็นเซอร์ลิดาร์ คุณอาจแปลกใจที่รู้ว่าการใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้าขั้นพื้นฐานที่สุดคือพัดลมและปั๊ม แต่จริงๆ แล้วสิ่งเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการทำความเย็นและระบบไฮดรอลิกส์
คลิกที่ภาพเพื่อข้ามไปยังวิดีโอ: เรียนรู้ว่า TI ใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของหุ่นยนต์อย่างไร
ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) ในข้อต่อแขนหุ่นยนต์ (แสดงในรูปที่ 1) โดยทั่วไปจะประกอบด้วยโรเตอร์หมุนและสเตเตอร์ที่อยู่นิ่ง การใช้สัญญาณไฟฟ้าเพื่อกระตุ้นขดลวดบนสเตเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งสร้างแรงแม่เหล็กที่จะเคลื่อนโรเตอร์ ซึ่งจะหมุนข้อต่อภายในแขนหุ่นยนต์ ด้วยการใช้สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์อย่างสมเหตุสมผล แขนหุ่นยนต์จะไม่เพียงแต่เคลื่อนที่เท่านั้น แต่ยังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ความแม่นยำของตำแหน่ง และแรงบิดที่กำหนดอีกด้วย
รูปที่ 1: มุมมองภาคตัดขวางของโครงสร้างมอเตอร์ BLDC
มอเตอร์ไฟฟ้าจะขับเคลื่อนหุ่นยนต์รุ่นต่อไปอย่างไร
นอกเหนือจากงานที่แม่นยำและทรงพลังที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวแล้ว ความก้าวหน้าในเซมิคอนดักเตอร์ควบคุมมอเตอร์ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และตัวขับมอเตอร์แบบรวมกำลังปรับวิธีการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ให้เหมาะสม และการบรรลุเป้าหมายนี้ต้องเผชิญกับความท้าทายหลัก 4 ประการ
ความท้าทายที่ 1: การเพิ่มข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และเครื่องจักร
ในอดีต มนุษย์และหุ่นยนต์จำเป็นต้องถูกแยกจากกันอย่างเคร่งครัดด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย โดยบ่อยครั้งโดยการวางหุ่นยนต์ไว้ในกรง ระบบอัตโนมัติที่เพิ่มขึ้นต้องอาศัยการทำงานร่วมกันและการโต้ตอบระหว่างมนุษย์และเครื่องจักรที่ใกล้ชิดยิ่งขึ้น หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน แต่ต้องใช้มอเตอร์ที่สามารถรับประกันการหยุดอย่างปลอดภัย ความเร็วที่ปลอดภัย แรงบิด และการควบคุมการเคลื่อนไหว
อุปกรณ์ เช่น C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU มีบทบาทสำคัญในการช่วยให้ปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการรับรองด้านความปลอดภัยในการใช้งานและสามารถรวมอุปกรณ์ต่อพ่วงด้านความปลอดภัยเพื่อการวินิจฉัยได้ ทำให้การออกแบบตามมาตรฐานองค์การระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน (ISO) 10218 ง่ายขึ้น ในด้านอะนาล็อกของสเปกตรัม ตัวขับประตูอัจฉริยะ เช่น DRV8353F สามารถช่วยให้วิศวกรบรรลุเป้าหมายด้านความปลอดภัยด้วยรายงานทางเทคนิคที่ได้รับการรับรองจาก TÜV SÜD เอกสารสนับสนุนนี้จะแนะนำวิศวกรตลอดขั้นตอนการออกแบบที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุการปิดแรงบิดอย่างปลอดภัยตามมาตรฐาน IEC 61800-5-2 ไม่ว่าจะเป็น MCU หรือตัวขับเกต มีส่วนประกอบบางอย่างที่สามารถลดความซับซ้อนของกระบวนการออกแบบและช่วยให้ระบบมอเตอร์ทำงานได้อย่างปลอดภัย
ความท้าทายที่ 2: ลดน้ำหนัก ลดความซับซ้อนของการเดินสาย และลดต้นทุนผ่านสถาปัตยกรรมมอเตอร์แบบกระจายอำนาจ
มอเตอร์อิเล็กทรอนิกส์กำลังย้ายจากตู้ควบคุมไปรวมเข้ากับข้อต่อหุ่นยนต์โดยตรง ซึ่งช่วยลดน้ำหนัก ลดความซับซ้อนในการเดินสายไฟ และลดต้นทุนของระบบ แนวโน้มนี้กระตุ้นให้ผู้ผลิตส่วนประกอบพัฒนาโซลูชันที่สามารถรวมฟังก์ชันต่างๆ เข้ากับแพ็คเกจวงจรรวมขนาดเล็กได้มากขึ้น ข้อจำกัดด้านพื้นที่ยังต้องการความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น
FET แกลเลียมไนไตรด์ เช่น LMG3422R050 ได้รวมตัวขับเกตซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพขั้นตอนพลังงานได้มากกว่า 99% ทำให้มอเตอร์ในตัวลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้แผงระบายความร้อน การใช้อุปกรณ์ต่อพ่วงการสื่อสารแบบเรียลไทม์และอินเทอร์เฟซตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์ ระบบที่ใช้ MCU เช่น TMS320F28065 สามารถสร้างสัญญาณมอดูเลตความกว้างพัลส์ที่มีความละเอียดพิโควินาที คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยลดการเดินสายเคเบิลจากสายเคเบิลมากกว่า 10 เส้นต่อมอเตอร์ เหลือเพียงบัส 2 เส้นสำหรับทั้งแขน การใช้ MCU และ GaN FET ในการกำหนดค่านี้ช่วยให้นักออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อแบบมีสายโดยการเพิ่มฟังก์ชันอีเทอร์เน็ตคู่เดียวผ่านตัวรับส่งสัญญาณเลเยอร์กายภาพอีเทอร์เน็ต เช่น DP83TG721
ความท้าทายที่ 3: การทำงานที่มีความแม่นยำโดยอัตโนมัตินั้นต้องการความแม่นยำและความแม่นยำที่มากขึ้น
การย่อขนาดผลิตภัณฑ์มีผลกระทบต่อการเลือกใช้มอเตอร์ (เซอร์โว สเต็ปเปอร์ หรือมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน) สำหรับการใช้งานหลายประเภท และความซับซ้อนในการควบคุมมอเตอร์และการป้อนกลับตำแหน่งก็เพิ่มขึ้นเพื่อให้สามารถบรรลุการเคลื่อนไหวที่แม่นยำซึ่งจำเป็นต่อการโต้ตอบกับมอเตอร์ขนาดเล็กเหล่านี้ สินค้า. นวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้บรรลุความแม่นยำที่สูงขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการย่อขนาดผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์กระแสไฟฟ้า เช่น AMC3306 มีแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ต 50µV และมีแหล่งจ่ายไฟในตัว การรวมคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ในแพ็คเกจเดียวจะช่วยเพิ่มความแม่นยำของลูปควบคุม และลดขนาดโดยรวมของแผงวงจรพิมพ์
ความท้าทายที่ 4: ปรับประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันมือถือที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่
หุ่นยนต์กำลังเคลื่อนที่ แทนที่จะอยู่นิ่งอยู่กับที่ในที่เดียว ช่วยส่งพัสดุได้โดยอัตโนมัติและปลอดภัยในการสำรวจภูมิประเทศ เซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันและอนาคตที่ใช้ในการตรวจจับ การประมวลผล และการควบคุมแบบเรียลไทม์จำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เพื่อให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่เหมาะสมและช่วงที่เป็นไปได้
การบรรลุประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงไม่จำเป็นต้องซับซ้อน และไม่จำเป็นต้องมีวิธีการออกแบบที่ซับซ้อนโดยใช้ส่วนประกอบแยกหลายชิ้น ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมมอเตอร์ตัวเดียวเช่น MCT8316A สามารถใช้งานมอเตอร์ปั๊มและพัดลมขนาดเล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการลดจำนวนส่วนประกอบที่ใช้พลังงานในหุ่นยนต์ อุปกรณ์ที่มีการบูรณาการอย่างสูงนี้ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามแบบเมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ 6 ตัวที่สร้างวงจรจ่ายไฟแบบฮาล์ฟบริดจ์สำหรับส่งกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ และแกนดิจิทัลที่ช่วยให้ควบคุมมอเตอร์แลดเดอร์อย่างง่ายโดยไม่ต้องเขียนโค้ด
โอกาสในการพัฒนาระบบควบคุมมอเตอร์ในอนาคตคืออะไร?
หุ่นยนต์แห่งอนาคตจะอยู่เหนือจินตนาการ พวกเขาสามารถทำงานที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ในปัจจุบันให้สำเร็จได้อย่างง่ายดาย โดยมักปฏิบัติการในร่องลึกที่สุดของมหาสมุทร หรือผจญภัยไปในอวกาศที่ไม่รู้จัก การออกแบบใหม่มีแนวโน้มที่จะรวมเซ็นเซอร์ที่ก้าวหน้ามากขึ้น ดังที่เราเห็นในปัจจุบันด้วยเทคโนโลยีลิดาร์และอัลตราโซนิก วิธีที่เราสื่อสารกับหุ่นยนต์อาจเปลี่ยนไปจากหุ่นยนต์แบบมีสายในอดีตไปจนถึงโซลูชันที่เน้นซอฟต์แวร์มากขึ้นในปัจจุบัน การเข้าถึงที่เพิ่มขึ้นทำให้สามารถควบคุมหุ่นยนต์ได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นผ่านทางคำพูด การแสดงภาพ หรือแม้แต่เพียงแค่คิด ในระหว่างวิวัฒนาการนี้ ขณะที่เทคโนโลยีหุ่นยนต์และการใช้งานยังคงพัฒนาต่อไป มอเตอร์ที่จำเป็นในการขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ก็เช่นกัน