Motorsteuerung für autonome mobile Roboter

(Quelle: SweetBunFactory/Stock.Adobe.com)

Autonome mobile Roboter (AMRs) werden in immer mehr Lager- und Industrieanwendungen eingesetzt. Obwohl künstliche Intelligenz/maschinelles Lernen (KI/ML) und Sicht-/Sensorsysteme den intellektuellen Kern eines AMR bilden, ist der Muskel eines AMR die Motorsteuerung und die Elektromotorsysteme. Elektromotoren, Treiber und Steuerschaltungen sind für einen AMR unerlässlich, um mobil zu sein oder Aufgaben durch physische Handhabung von Zielobjekten zu erfüllen. Die Qualität des Motorsteuerungssystems und der Motortreiberschaltung bestimmt die Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Präzision der Mobilität und der physischen Manipulationsfähigkeit eines AMR.

In diesem Artikel werden die Leser über die Bedeutung von AMR-Motorsteuerungssystemen aufgeklärt und die technischen Überlegungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von AMR-Motorsteuerungssystemen erörtert.

Überblick über AMR-Bewegungs-/Motorsteuerungen

Auch wenn sich die standardisierte Nomenklatur geändert hat, handelt es sich bei AMRs mit oder ohne Manipulatoren in den meisten Fällen um mobile Industrieroboter (IMRs). Diese Änderungen in der Nomenklatur haben jedoch nichts an der zugrundeliegenden Mechanik der AMRs geändert, sondern lediglich an den relativen Sicherheitsstandards. Solange es sich bei einem AMR nicht um einen Niederhub- oder Hochhubwagen handelt, der in erster Linie zum Bewegen von Paletten mit Gabeln oder Zinken verwendet wird, gelten für AMR in den USA derzeit die Sicherheitsnormen ANSI/RIA 15.08/15.0X. 

Diese neuen Normen erkennen AMRs als kollaborative Robotersysteme an, die neben und in der gleichen Umgebung wie menschliche Arbeitskräfte arbeiten. Dieses neue Paradigma legt einen größeren Schwerpunkt auf Sicherheits- und Leistungsüberlegungen bei AMRs, die als zusätzliche Überlegungen zu der bereits bestehenden Herausforderung der Konzeption und Entwicklung eines industriellen Robotersystems hinzukommen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Motorsteuerungssystem, denn ohne ein zuverlässiges und reaktionsschnelles Motorsteuerungssystem, das mit funktionalen Sicherheitsmerkmalen ausgestattet ist, kann ein AMR vermutlich nicht wirklich sicher sein.

Jeder Teil eines Motorsteuerungssystems muss die Leistungserwartungen erfüllen und gleichzeitig funktionssicher sein, so dass das Motorsteuerungssystem, die Treiber und die Motoren extrem zuverlässig und konsistent arbeiten müssen. Daneben spielen auch andere Faktoren bei der Funktion der AMR-Motorsteuerung eine Rolle, wie z. B. die Sensorik der Rückkopplungsschleife und die KI/ML-Algorithmen, aber diese Aspekte eines AMR werden hier nicht näher beleuchtet.

Bewegungs-/Motorsteuerungssysteme

Ein AMR verfügt in der Regel über mehrere Motorsteuerungssysteme. Im Allgemeinen steuert mindestens einer die Bewegung, während andere die einzelnen am AMR montierten Aktuator-/Manipulatorsysteme steuern. Der Zweck der Motorsteuerungssysteme besteht darin, die KI/ML-verarbeiteten Eingaben von den relevanten Sensoren des AMR zu übernehmen und Signale an die Motortreiberschaltungen zu senden, die die korrekten Daten für den Antrieb der Bewegungs- und Aktuator-/Manipulatormotoren in der gewünschten Weise enthalten. Die Motorsteuerungssysteme übernehmen einen Großteil der funktionalen Sicherheitsaspekte der Bewegungs- und Betätigungs-/Handhabungsfunktionen eines AMR. Allerdings benötigen die Motortreiber und Elektromotoren oft eine eigene ausfallsichere Betriebsdynamik.

Es gibt Unterschiede zwischen einem Bewegungssteuerungssystem und einem Motorsteuerungssystem. Das Bewegungssteuerungssystem verwendet eine Vielzahl von Sensorinformationen und übergeordneten Steuersignalen, wie z. B. Streckenplanung, Geschwindigkeitsplanung, Beschleunigungsplanung, Interpolationsalgorithmen und kinematische Umwandlungen, um einen AMR physisch von einem Standort zum nächsten zu bewegen. Andererseits ist ein Motorsteuerungssystem ein grundlegendes System, das die Reaktion eines Motors auf Eingaben des Motors und der Motorsteuerungssensorik steuert. Bei einem AMR kann ein Motorsteuerungssystem je nach Anwendungsfall ein Bewegungssteuerungssystem oder ein Manipulations-/Betätigungssteuerungssystem sein.

Im Allgemeinen werden Bewegungs-/Motorsteuerungssysteme entweder auf Mikrocontrollern/Digitalen Signalprozessoren (MCUs/DSPs) in Software oder auf feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) implementiert. MCUs/DSPs sind eine weit verbreitete Lösung für viele Motorsteuerungsanwendungen und die Robotik, und es gibt eine breite Palette von Optionen, die MCUs/DSPs mit funktionalen Sicherheitsmerkmalen umfassen. Viele MCUs/DSPs für fortschrittliche Bewegungssteuerungs-/Motorsteuerungsanwendungen verfügen auch über viele andere Funktionen, wie z. B. Kommunikation, Signalverarbeitung und Motortreiber-Ausgangsschaltungen, die in die Geräte integriert sind. Diese Funktionen erleichtern die Entwicklung und stellen eine funktionelle Grenze für eine MCU/DSP dar. Angenommen, es werden zusätzliche Motortreiber, Signalprozessoren, Kommunikationssysteme oder andere Hardwareschaltungen benötigt. In diesem Fall muss zusätzliche Hardware entwickelt werden, um diese Lücke zu schließen, oder es kann stattdessen eine komplexere/teurere MCU/DSP verwendet werden, die diese Funktionen enthält.

Auch für die Motorsteuerung gibt es verschiedene FPGA-Optionen, von denen viele die Entwicklung von funktionssicherer Steuerungshardware ermöglichen. Je nach Ausgereiftheit der FPGAs können die gesamte Kommunikation, Motorsteuerung, Signalverarbeitung und andere digitale Hardware mit der programmierbaren Logik derselben FPGAs implementiert werden, nur begrenzt durch den Umfang der programmierbaren Logikzellen, Speicherblöcke (RAM/ROM) und Eingangs-/Ausgangsblöcke/IO-Übersetzer. Das bedeutet, dass mit den richtigen IP-Blöcken und Design-Ressourcen die digitale Kommunikationshardware, die Signalverarbeitung, die Motorsteuerung und andere Funktionen alle mit demselben FPGA in Echtzeit und deterministischer Hardware implementiert werden können. Dazu können auch fortschrittliche Regelungsalgorithmen gehören, wie z. B. feldorientierte Regelungsalgorithmen (FOCs) für 3-Phasen-Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs). Normalerweise sind FOCs sehr rechenintensiv und belasten eine MCU/DSP erheblich. Dennoch können solche Algorithmen dazu beitragen, dass industrielle Servomotoren, die eine präzise Drehmomentsteuerung erfordern, ein hohes Leistungsniveau erreichen.

Ein Vorteil der FPGA-Motor-/Bewegungssteuerung ist, dass mehrere Steuerungssysteme auf einem FPGA implementiert werden können und parallel in Echtzeit arbeiten. Software-Steuerungssysteme, die auf MCUs/DSPs implementiert werden, sind in der Regel aufeinander aufbauende Prozesse. Obwohl sie schnell verarbeitet werden können, können mehrere Kerne zur Parallelisierung beitragen, obwohl bei diesen Geräten in der Regel gestaffelte Steuerungsvorgänge stattfinden. Die Entwicklung von MCU/DSP-Software wird im Allgemeinen als weniger aufwändig angesehen als die Entwicklung von programmierbarer FPGA-Logik. Kosten- und Leistungsbeschränkungen sind jedoch weitere wichtige Überlegungen für eine bestimmte Applikation (Abbildung 1).

 Abbildung 1: Ein High-Level-Diagramm eines feldorientierten Steuerungsalgorithmus, der mit einem FPGA implementiert wurde. (Quelle: Mouser Electronics)

Einblicke in die Motortreiber-Schaltertechnologie

Die Motorsteuersignale von der Bewegungs-/Motorsteuerung, häufig Geschwindigkeit, Drehmoment, Position und Signale, sowie Strom- und/oder Spannungssensoren, die in den Motorsteuerboards oder irgendwo auf dem Weg zum Motor enthalten sind, werden von den Motortreibern in eine Version mit höherer Leistung (Spannung/Strom) der Motorsteuersignale umgewandelt. Die Aufgabe der Motortreiberschaltungen besteht darin, die Motorsteuersignale bei diesen höheren Leistungspegeln so effizient und reaktionsschnell wie möglich nachzubilden. 

Bei einigen Motortypen, wie z. B. PMSM- und bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) mit drei Phasen, ist für jede Phase ein Satz Schalter erforderlich. Mit mehreren Bewegungs- und Motortreiberschaltungen benötigen moderne AMRs zahlreiche Schaltkreise. Sie alle müssen gut funktionieren, damit der AMR funktionieren kann. Leistungsdichte und Zuverlässigkeit zählen daher ebenfalls zu den wichtigsten Merkmalen von Motortreiberschaltern für die Industrierobotik. Da in industriellen Anwendungen immer häufiger fortschrittliche Stepper-, Servo- und BLDC/PMSM-Motoren eingesetzt werden, müssen die AMR-Motortreiberschalter auch bei höheren Schaltgeschwindigkeiten effizient und kompakter sein, um in den begrenzten Raum für die AMR-Leistungselektronik zu passen. Der Wirkungsgrad der Motortreiberschalter wirkt sich direkt auf die Größe und Komplexität des Wärmemanagements (Kühlkörper usw.) aus, das für die AMR-Leistungselektronik erforderlich ist. Kleinere und effizientere Motortreiberschalter können dazu beitragen, den Platzbedarf der AMR-Leistungselektronik insgesamt zu verringern.

Gegenwärtig sind im Wesentlichen zwei Motorentreibertechnologien auf dem Markt: Silizium-Isolierschicht-Bipolartransistoren (Si-IGBT) und Silizium-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Si-MOSFET). Si-IGBTs sind eine alte Technologie, die jedoch für Schaltanwendungen mit niedrigeren Geschwindigkeiten immer noch weit verbreitet ist. Die Hochgeschwindigkeits- und andere Eigenschaften von Si-MOSFETs eignen sich besser für neuere und komplexere Motorsteuerungsanwendungen, wie z. B. die Industrierobotik. 

Zudem gibt es auch eine neuere Technologie, Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren (GaN-FET), von denen viele Varianten in einigen Bereichen der Industrierobotik eingesetzt werden. Die GaN-FET-Technologie ist jedoch relativ neu, und die Ansteuerungsschaltung ist vergleichsweise komplex und erfordert einen sehr sorgfältig kontrollierten Gate-Knoten-Stimulus. Daher werden die meisten modernen Industrieroboter wahrscheinlich mit Si-MOSFET-Technologie entwickelt, da sie folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Si-IGBT-Lösungen aufweisen.

Obwohl sie im Allgemeinen als robust und kostengünstig gelten, sind Si-IGBTs nur bei relativ langsamen Schaltgeschwindigkeiten effizient und weisen im Vergleich zu MOSFETs tendenziell hohe Verluste auf. Angesichts der langsamen Erholungseigenschaften von Si-IGBTs ist es in der Regel nicht praktikabel, Si-IGBTs bei höheren Frequenzen als ~16 kHz zu verwenden. Ältere Silizium-MOSFETs (Si-MOSFETs) erreichten nicht unbedingt die gleiche Leistungsdichte wie Si-IGBTs, wiesen aber unter Volllastbedingungen geringere Schaltverluste auf. Ein nachteiliges Merkmal älterer Si-MOSFET-Technologien ist, dass diese Bauelemente in der Regel schlechte interne Body-Diode-Rückgewinnungsverluste aufweisen, die zu höheren Gesamtverlusten beitragen. Allerdings weisen Si-MOSFETs im Schwachlastbetrieb ein relativ lineares Strom/Spannungsverhältnis auf, was von Vorteil sein kann.

Die neuesten Si-MOSFETs zeichnen sich durch einen deutlich reduzierten Drain-Source-Einschaltwiderstand (R_DS_ON) aus, der die Leitungsverluste minimiert. Darüber hinaus wurde bei diesen neueren MOSFETs auch die Gesamt-Gate-Ladung (Q_G) sowie die Gate-Kapazitäten verbessert, was die Gesamtverluste des Treibers weiter reduziert. Eine Soft-Recovery-Body-Diode (SRBD) in diesen MOSFET-Schaltern reduziert darüber hinaus die Sperrverzögerungsladung (Q_RR). Durch die verbesserte Ausgangsladung (Q_OSS) wird bei neueren Si-MOSFETs tendenziell auch der Wirkungsgrad bei geringer Last verbessert. Ein Beispiel dafür ist der neueste N-Kanal-MOSFET von onsemi, der NTTFS012N10MD, der mit dem fortschrittlichen PowerTrench®-Prozess von onsemi hergestellt wird, der auch die Shielded-Gate-Technologie umfasst.

Fazit 

Autonome mobile Robotersysteme (AMR) erobern viele industrielle Anwendungen, darunter Fertigung, Lagerhaltung und Auftragsabwicklung. Da die Anwesenheit von Menschen neben diesen Robotern nach wie vor erforderlich ist, sind Sicherheit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Von den AMR-Teilsystemen sind die Motorsteuerung und die Treiber wichtige Elemente, die ordnungsgemäß funktionieren müssen, um ein hohes Maß an Sicherheit und Leistung zu gewährleisten.