【導(dǎo)讀】現(xiàn)有機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器多采用4－16kHz PWM頻率，雖可轉(zhuǎn)換電流為正弦波，但電機(jī)端仍為高dv/dt PWM波形，高頻方案亦受電磁干擾、濾波成本及轉(zhuǎn)矩控制精度限制。針對(duì)這些痛點(diǎn)，PT的MicroDyno以GaN晶體管實(shí)現(xiàn)1MHz高速開(kāi)關(guān)，集成緊湊型濾波器輸出純凈正弦電壓，動(dòng)態(tài)校正齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，無(wú)需昂貴外設(shè)與屏蔽電纜，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)精度、成本與兼容性突破，且可拓展至高壓領(lǐng)域。

盡管有一些專業(yè)系統(tǒng)可以達(dá)到100kHz頻率，但它們面臨電磁干擾方面的挑戰(zhàn)，而且頻率仍然太低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正正弦電壓輸出和電磁干擾(EMI)濾波所需的小型、低成本濾波器。

InnCat公司董事兼首席技術(shù)與創(chuàng)新官(CTIO)Simon Hart表示，即使是最好的伺服電機(jī)也可能存在嚴(yán)重的齒槽轉(zhuǎn)矩。“我花了大量時(shí)間研究快速控制回路和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償器，以獲得所需的速度平滑度。”他說(shuō)，“但隨著時(shí)間的推移，回路響應(yīng)會(huì)發(fā)生漂移?！?/p>

QPT的解決方案MicroDyno采用動(dòng)態(tài)校正齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的技術(shù)，并在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成高保真?zhèn)鞲?，從而顯著提升協(xié)作機(jī)器人和通用機(jī)器人的性能。而且，這一切無(wú)需像標(biāo)準(zhǔn)PWM系統(tǒng)那樣使用昂貴的外部傳感器或編碼器。

由于集成了濾波器，無(wú)需使用昂貴的屏蔽電纜，從而大大簡(jiǎn)化了電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)。(來(lái)源：QPT)

MicroDyno的工作原理

QPT的低壓平臺(tái)能夠以標(biāo)準(zhǔn)頻率約100倍的頻率，最大限度地發(fā)揮GaN晶體管的性能。它采用體積小巧、成本低廉的輸出濾波器，直接在電機(jī)端子處產(chǎn)生純凈的正弦電壓，并具有極高的信噪比(SNR)。這反過(guò)來(lái)又消除了電磁干擾(EMI)，降低了軸承電流，并實(shí)現(xiàn)了“無(wú)傳感器傳感”。此外，它還允許使用非屏蔽電纜，這對(duì)于機(jī)器人集成至關(guān)重要。

MicroDyno的開(kāi)關(guān)速度為1MHz，集成了一個(gè)緊湊型濾波器，可為電機(jī)提供真正的正弦波電壓。這一特性使其區(qū)別于現(xiàn)有的低頻PWM系統(tǒng)。因此，QPT首席技術(shù)官兼創(chuàng)始人Rob Gwynne將其稱為具有智能濾波功能的超高速GaN開(kāi)關(guān)解決方案。

“對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用而言，我們不僅僅是在提高平滑度，”他補(bǔ)充道，“我們現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地校正轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和齒槽效應(yīng)，即使是昂貴的基于編碼器的系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到如此高的精度?！彼硎尽＿@為制造更精確、更緊湊、更可靠的機(jī)器人鋪平了道路，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)成本。

MicroDyno利用正弦波驅(qū)動(dòng)的高信噪比來(lái)檢測(cè)時(shí)域和頻域中的電壓和電流擾動(dòng)。因此，它的性能優(yōu)于價(jià)格昂貴的基于編碼器的靜態(tài)方法，后者會(huì)隨時(shí)間漂移，并且無(wú)法對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的變化做出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

此外，它還采用了QPT的qControl技術(shù)，該技術(shù)能夠以皮秒級(jí)的精度生成1MHz的信號(hào)。這使得微型濾波器能夠輸出真正的正弦電壓，從而產(chǎn)生更純凈的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。純凈的正弦波輸出還支持高級(jí)轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)傳感和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

超越機(jī)器人領(lǐng)域

MicroDyno是一款適用于機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人的48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其應(yīng)用范圍可擴(kuò)展至400V和800V系統(tǒng)，并具備類似的高頻正弦波優(yōu)勢(shì)。這為該低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)自動(dòng)化、暖通空調(diào)(HVAC)和電動(dòng)汽車牽引領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。

此外，其獨(dú)特的正弦波輸出特性，使得設(shè)計(jì)多相模塊成為可能，這些模塊可以并聯(lián)使用，從而以更少的模塊數(shù)量實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)的功率輸出。

QPT首席技術(shù)官Gwynne希望MicroDyno的可擴(kuò)展性能夠?yàn)槊嫦蛉妷旱燃?jí)的新一類電機(jī)驅(qū)動(dòng)器奠定基礎(chǔ)。這是一個(gè)重要的前提，尤其是在電機(jī)消耗了全球近45%的電力的情況下。

QPT聲稱，其基于GaN的MicroDyno解決方案能夠以更低的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本實(shí)現(xiàn)更高的控制精度和效率。其實(shí)現(xiàn)方式是消除所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中由脈寬調(diào)制(PWM)引起的效率損失、噪聲和磨損。

總結(jié)

現(xiàn)有機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器多采用4－16kHz PWM頻率，雖可轉(zhuǎn)換電流為正弦波，但電機(jī)端仍為高dv/dt PWM波形，高頻方案亦受電磁干擾、濾波成本及轉(zhuǎn)矩控制精度限制。針對(duì)這些痛點(diǎn)，QPT的MicroDyno依托GaN晶體管實(shí)現(xiàn)1MHz超高速開(kāi)關(guān)，集成緊湊型濾波器輸出純凈正弦電壓，通過(guò)動(dòng)態(tài)校正技術(shù)解決齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，無(wú)需昂貴外部傳感器與屏蔽電纜，為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精度、成本與兼容性突破，且可延伸至多領(lǐng)域高壓系統(tǒng)。