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來源：富昌電子 作者：Martin Schiel，EMEA垂直部門經理（嵌入式系統） 當一項電子功能或多或少地通用于大批量產品中時，半導體行業能夠協助系統設計人員的工作，并創建現成的實施方案。芯片制造商開發的參考設計構成了許多熟悉產品的硬件的基礎，例如PC、固態磁盤、智能手機和電視機等。 現在可以在電機控制領域中觀察到這種現象：新型機器人設計數量的激增促使半導體制造商探索通過為小型節能電機提供先進的新參考設計平臺來減少客戶開發開銷、加快產品上市并增強功能的方法。 作為擁有廣泛的全球客戶基礎（包括許多工業OEM）的寬線分銷商，富昌電子對適合機器人系統開發人員的半導體產品了如指掌。在公司看來，機器人設備設計人員應該在他們評估的基于半導體的電機開發平臺中尋找三個基本要素。 本文介紹了這些要素，并通過參考意法半導體提供的平臺說明了它們如何幫助加快系統設計。 電機控制：對半導體廠商越來越有吸引力的市場 電機系統設計人員從半導體供應商提供的快速開發平臺中受益的原因是，伺服驅動器和機器人市場有可能出現急劇增長。出現這種增長的原因是工業市場處于最佳狀態，在這種情況下，處理器性能和速度的提高可實現日益復雜的操作，從而為機器人提供了一套新的用例，可以支持、模仿、增強或替代人類的能力，尤其是在使用人工智能（AI）進行了增強時。 據國際機器人聯合會，在近十年內機器人技術的主要趨勢將是： · 機器人變得更聰明 數字傳感器與智能軟件相結合，可以采用直接的教學方法，即所謂的“演示編程”。未來，機器學習工具將使機器人能夠通過反復試驗或視頻演示來學習，然后自動優化其動作。 · 機器人與人協作 當前，機器人的共享工作區域應用是最常見的：機器人和工人并肩工作，依次完成任務�，F在的研發工作集中在使機器人能夠實時響應的方法，包括語音、手勢和人類動作意圖的識別。 · 機器人邁向數字化 工業機器人是工業4.0浪潮中數字化和網絡化生產的核心組件。對于他們而言，無論制造商是誰，能夠彼此通信就顯得尤為重要。OPC機器人技術規范定義了工業機器人的標準化通用接口，使工業機器人能夠連接到工業物聯網(IIoT)。 隨著這些趨勢在未來數月和數年中逐漸顯現，我們將看到更多的機器人和更多不同類型的機器人在更多位置執行更多功能。每個機器人至少包含一個電機；帶有鉸接、關節、笛卡爾或其他類型手臂的機器人通常包含許多電機。因此，對電機和電機控制系統市場快速增長的預測，以及半導體公司對通過提供參考設計平臺來幫助電機系統設計人員加速產品開發的興趣日益增長。 在富昌電子看來，電機控制開發平臺的三個重要特性對工業用戶最有價值：集成、可配置性和生態系統兼容性。為什么這些特性非常重要？ 1. 高水平的芯片集成度 電機控制系統是各功能塊的復雜組合。傳統上，電機控制板設計包含大量分立組件，這種方法往往會增加BoM成本，使電路板布局更加困難，并提高電路板和組裝成本。 這正在推動芯片制造商為電機電路創建更多集成解決方案，將驅動、控制、信號處理和電源管理功能集成到單個器件中。集成提供的好處與多組件系統的缺點相對應：更小、更簡單、更經濟的集成解決方案可以加速用戶的設計實現，同時提供更高的性能，因為集成到單個器件中的功能已經過優化，可以協同工作。 
圖1：STSPIN32F0A系統級封裝，是STSPIN系列集成電機控制器/驅動器的一款產品（圖片來源：意法半導體） 意法半導體的STSPIN32系列就是這種朝著電機控制集成解決方案發展的新趨勢的一個例子（見圖1）。STSPIN32F0A是一個系統級封裝（SiP），可為驅動三相無刷直流（BLDC）電機提供集成解決方案。它集成了三個電機驅動功能，這些功能傳統上是在三個單獨的器件中實現的： · 具有完全保護的三重半橋式柵極驅動器，能夠驅動電流為600mA（灌電流和拉電流）的功率MOSFET。用于高邊驅動的自舉二極管嵌入在驅動器內部。 · 內部DC-DC降壓轉換器為嵌入式微控制器內核和外部組件提供3.3V電源。內部12V LDO線性穩壓器為三重柵極驅動器提供電源電壓。 · 運算放大器可用于信號調節，例如用于放大外部并聯電阻上的電流感測信號，或調節來自霍爾位置傳感器的信號。 除了驅動器功能之外，STSPIN32F0A SiP還集成了STM32F031微控制器，該微控制器基于Arm® Cortex®-M0處理器內核，時鐘頻率高達48MHz。該32位MCU提供足夠的處理吞吐量，以運行諸如場定向控制（FOC）之類的復雜BLDC控制算法，并提供多個模擬和通信接口以支持電機系統中的外設元件，例如位置傳感器和用戶控件 2. 易于配置的、運行就緒的電機控制固件 即使可以使用現成的硬件平臺，仍然存在重要的開發任務：實施電機控制固件，以確�？梢钥刂齐姍C的速度和位置，使電機高效、安全地運行。 使用現成的固件可以大大減少此開發任務。的確，對于通用電機控制算法（例如FOC和六步控制）有很多IP資源。設計人員面臨的問題是，將固件移植到特定硬件主機的難度通常比IP提供商聲稱的要困難得多。 因此，這是對評估中的任何快速開發平臺的第二項測試：它是否提供全面的電機控制固件？意法半導體的固件套件在這方面表現出色：意法半導體在STSPIN32平臺上提供了多種算法，這意味著機器人系統開發人員可以在單個主機上試驗不同的電機控制系統。這使設計人員可以靈活地構建兩個概念驗證，其中一個實現具有定位功能的FOC，另一個實現六步控制和更適合于預期應用的測試。STSPIN32平臺還可以幫助OEM在單個硬件平臺上構建針對不同應用的、具有不同功能的產品系列。
圖2：EVALKIT-ROBOT-1套件具有一個用于控制Maxon EC-i 40電機的STSPIN32F0A SiP（圖片來源：意法半導體） 3. 集成到更廣泛的應用軟件開發平臺中 通過滿足測試1）和2），電機控制系統開發人員已經選到了專用的電機控制硬件平臺，并帶有控制所選電機類型所需的固件。 要考慮的最后一個重要因素是將電機集成到機器人系統中的方法。這意味著需要考慮更廣泛的發展生態系統的問題。 在任何機器人系統中，電機都只是應用中的一個要素，盡管它很重要。如果工程師需要在多個開發環境中學習并提高生產力，它能夠節省開發人員的時間和精力。因此，如果電機的開發可以在與其他功能的開發相同的環境中進行，則可以提高開發人員的效率。 對于STSPIN32系列，可以在STM32Cube（用于配置STM32系列中的任何MCU的開發環境）中配置和實現電機控制固件。ST MCU的用戶已經在STM32Cube中花費了大部分開發時間。ST電機控制固件開發軟件X-CUBE-MCSDK只是STM32Cube中的一個附加模塊。因此，采用STSPIN32系列進行電機控制的STM32用戶能夠在與其系統開發的所有其他元件所處的相同環境中工作，并使用相同的控件和功能。 現成的硬件參考設計 如我們所見，機器人市場的增長促使半導體制造商加緊步伐，以提供現成的、用于驅動和控制機器人手臂的電機控制系統。意法半導體在這一領域的投資特別具有吸引力，因為它提供了高度集成的運動控制SiP、各種電機控制算法以及用于開發整個應用的高度開發的工具套件。意法半導體正繼續擴展該系列：提供250V級的STSPIN32F025x和600V級STSPIN32F060x器件，并計劃發布具有更高處理能力的新器件。 對于STSPIN32F0A用戶，通過使用意法半導體創建的基于Maxon EC-i 40電機的參考設計系統可以進一步縮短開發時間。該參考設計稱為EVALKIT-ROBOT-1，在一塊僅40mm x 40mm的單板上集成了一個STSPIN32F0A器件、一個基于ST功率MOSFET的功率級、霍爾傳感器、一個Maxon ENX 16 EASY 1024脈沖增量編碼器，以及外設組件。 其模擬電路實現了逆變器級驅動、電流檢測和過流保護，MCU通過閉環位置檢測執行FOC。該硬件隨附了用于BLDC電機中FOC位置控制的即用型固件。
圖3：EVALKIT-ROBOT-1電機開發平臺的主要技術規格（圖片來源：意法半導體） 該系統實現了非常高的轉矩密度和非常低的齒槽轉矩，并且以其可靠、強大且精確的位置和速度控制而著稱。它也可以用于其他工業伺服電機控制應用中。 富昌電子可提供EVALKIT-ROBOT-1套件，并可通過其位于德國慕尼黑的卓越工程中心為實施電機控制系統提供幫助和指導。 |
