自主移動機(jī)器人的電源

和電機(jī)控制解決方案

自主移動機(jī)器人（AMR）為不同領(lǐng)域和行業(yè)帶來了諸多優(yōu)勢，包括提高了安全性和效率。然而，為了使AMR能夠安全、獨立地工作，這些復(fù)雜的系統(tǒng)需要精心集成多項技術(shù)，像是電源和運動控制這兩個重要組件便至關(guān)重要。本文將為您介紹AMR的設(shè)計注意事項，以及由安森美（onsemi）所提供的相應(yīng)解決方案。

AMR的電源與電機(jī)控制子系統(tǒng)

扮演關(guān)鍵角色

AMR具備和自動駕駛汽車類似的性能，是由一系列子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜設(shè)計，機(jī)器人能夠在盡可能少的人類交互下，安全地移動、觀測和運行。要打造靈活而智能的AMR，電源和運動控制技術(shù)發(fā)揮的作用很關(guān)鍵。隨著時間推移，單個系統(tǒng)和組件的選擇可對這些先進(jìn)方案的性能與可靠性產(chǎn)生顯著影響。

首先，AMR中使用的電源系統(tǒng)和電源組件會對其總電池壽命和工作時長產(chǎn)生重大影響。為AMR設(shè)計電源系統(tǒng)時需要考慮能量密度、電壓和電流要求、效率、方案尺寸等重要的性能特征和參數(shù)。

AMR通常使用鋰離子電池，因為此類電池的能量密度高，使用時間長。同時，電源管理單元可調(diào)節(jié)從電池到其他組件的功率流。電壓和電流水平通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器進(jìn)行控制。AMR中的電池管理系統(tǒng)可監(jiān)控電池的狀態(tài)、電量、溫度和電流，以確保AMR安全高效地運行，而車載電池充電器的規(guī)格取決于電池類型、容量和電壓。智能電源模塊為電機(jī)控制系統(tǒng)提供高功率開關(guān)，IPM中的功率開關(guān)配有柵極驅(qū)動器，用于提供相應(yīng)的信號來打開和關(guān)閉開關(guān)，功率因數(shù)校正（PFC）控制器則可提升電源系統(tǒng)的總效率。

其次，在AMR中，電機(jī)驅(qū)動型執(zhí)行器用于移動機(jī)器手臂和輪子，因此其選擇至關(guān)重要。AMR需要采用效率高且緊湊輕便的高扭矩和高速執(zhí)行器。選擇執(zhí)行器時，需要對無刷直流（BLDC）電機(jī)、電機(jī)控制器、MOSFET、通用控制器板（UCB）和柵極驅(qū)動器等組件進(jìn)行評估。

與有刷電機(jī)相比，BLDC電機(jī)具有多個優(yōu)勢。BLDC電機(jī)的效率高、噪聲低且高度可靠，可以減少維護(hù)工作，因此被廣泛應(yīng)用于AMR中。然而，控制此類電機(jī)需要復(fù)雜的算法和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動器，其中的三相BLDC電機(jī)則廣泛用于機(jī)器人和工業(yè)驅(qū)動器。

電機(jī)控制器的功能是精確控制AMR執(zhí)行器中的電機(jī)。這些器件可通過嵌入式控制算法來完全集成，也可使用運行電機(jī)控制算法的專用微控制器單元（MCU）。AMR中常見的三相電機(jī)則是由功率晶體管使用脈寬調(diào)制（PWM）開-關(guān)信號驅(qū)動。這些開關(guān)可由硅或?qū)捊麕Р牧现瞥?，比如碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）。

可靠的智能電源與電機(jī)控制解決方案

安森美提供了眾多可靠的智能電源、電機(jī)控制和傳感方案，最大程度簡化了設(shè)計的復(fù)雜度，為客戶的設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)。從強(qiáng)固、高分辨率的成像系統(tǒng)，到高功率電機(jī)控制，再到高效率、緊湊型電池充電方案，這些子系統(tǒng)方案都是建立在安森美深耕汽車行業(yè)數(shù)十年的經(jīng)驗技術(shù)之上。安森美的系列方案能夠簡化開發(fā)流程，并讓AMR即使身處最嚴(yán)苛的工作環(huán)境也能夠快速適應(yīng)、可靠運行。

針對電源應(yīng)用方面，安森美推出多種PFC控制器非常適合AC-DC電源應(yīng)用，比如圖騰柱無橋PFC前端或基于LLC諧振拓?fù)涞腄C-DC級。它們還適用于高電壓DC-DC功率級，可在AMR中實現(xiàn)高效率和高密度快速電池充電器設(shè)計。

在BLDC電機(jī)控制解決方案方面，安森美提供包括ECS640A ecoSpin電機(jī)控制器UCB、NCP81075柵極驅(qū)動器，以及可用于加速AMR執(zhí)行器開發(fā)的電源板。

UCB是基于Xilinx Zynq-7000 SoC的系統(tǒng)級模塊（SoM），非常適合精密應(yīng)用，也可用于先進(jìn)的人工智能（AI）。此外，安森美提供基于屏蔽柵極溝槽技術(shù)的MOSFET（30V至150V），并提供u8FL、SO8-FL、雙面冷卻和頂部冷卻等封裝選項。

基于T10技術(shù)的全新30-40V和80V MOSFET支持低壓與中壓應(yīng)用，T10器件分為兩大類別，分別用于電源轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制。用于電機(jī)控制的T10M器件提供出色的導(dǎo)通電阻，UIS能力提高10%，并具有優(yōu)異的體二極管軟恢復(fù)性能，可降低電壓尖峰并解決EMI問題。

對于高功率應(yīng)用中的三相BLDC電機(jī)，安森美推薦使用基于PTNG技術(shù)的MOSFET（80 V、100 V、120 V和150 V），而NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC和NTBLS4D3N15MC MOSFET可滿足高性能應(yīng)用的要求。

高度集成的低功耗三相BLDC電機(jī)控制器

安森美推出的ECS640A是ecoSpin可配置電機(jī)控制器系列的最新成員，這是一款三相BLDC電機(jī)控制器，集成了超低功耗優(yōu)化的Arm Cortex-M0+微控制器、三個感應(yīng)放大器和一個參考放大器（NCS20034）、三個自舉二極管和一個專為高壓、高速運行而設(shè)計的高壓柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動工作電壓高達(dá)600V的MOSFET和IGBT（FAN73896）。

ECS640A的六個柵極驅(qū)動器輸出為外部電源設(shè)備提供350 mA/650 mA（典型值）柵極電流的灌／拉電流。該器件包括霍爾傳感器輸入，支持有傳感器或無傳感器操作，三個獨立的低側(cè)源極引腳可實現(xiàn)單路或多路分流測量。ECS640A的保護(hù)功能包括欠壓鎖定和逆變器過流跳閘，并具有自動故障清除功能，并提供開漏故障信號來指示已發(fā)生故障情況。

ECS640A的直接扭矩和磁通控制（DTFC）固件現(xiàn)已推出，可在Arm Cortex-M0+平臺上實現(xiàn)最佳電機(jī)性能。客戶可直接從Theta Power Systems, Intl獲得DTFC代碼許可。ECS640A較小的占地面積和集成度，使該器件非常適合分立功率器件，以最大限度地提高跨平臺的可擴(kuò)展性，并隨著功率水平的擴(kuò)展而最大限度地減少面積要求。

ECS640A具有64kB閃存和8kB SRAM的Arm Cortex M0+嵌入式微控制器，支持600V FAN73896柵極驅(qū)動器，以及NCS20034的7MHz、高轉(zhuǎn)換速率、軌到軌四路放大器，采用小尺寸SiP，并具有“易于使用”的用戶環(huán)境。

ECS640A常應(yīng)用于制冷壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)、暖通空調(diào)（HVAC）鼓風(fēng)機(jī)和冷凝器、泳池水泵、工業(yè)驅(qū)動器和泵與機(jī)器人技術(shù)，常見的終端產(chǎn)品包括冰箱、瓶裝飲料冷藏柜、消費類空調(diào)機(jī)組、暖通空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)、商用空調(diào)機(jī)組、白色家電與協(xié)作機(jī)器人等。

高性能的雙MOSFET柵極驅(qū)動器

安森美推出的NCP81075是一款高性能雙MOSFET柵極驅(qū)動器，經(jīng)過優(yōu)化可驅(qū)動同步降壓轉(zhuǎn)換器中高壓側(cè)和低壓側(cè)功率MOSFET的柵極。NCP81075集成了一個驅(qū)動器集成電路和一個自舉二極管，使用片上自舉二極管來消除外部分立二極管，驅(qū)動能力高達(dá)4A，適用于驅(qū)動在高達(dá)180 V電壓下運行的高速、高電壓MOSFET，其高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動器可獨立控制，并且彼此匹配的導(dǎo)通和關(guān)斷時間間隔為4 ns，并帶有匹配的3.5 ns典型傳播延遲。

NCP81075可驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)的兩個N通道MOSFET，可用于高端柵極驅(qū)動的集成自舉二極管，其自舉電源電壓范圍高達(dá)180V，開關(guān)頻率高達(dá)1 MHz，具備4A拉電流、4A灌電流輸出能力，并可以8ns/7 ns的典型上升／下降時間驅(qū)動1nF負(fù)載，支持8.5V至20V的寬電源電壓范圍，具有快速傳播延遲時間（典型值20 ns）與2 ns延遲匹配（典型值），工作結(jié)溫范圍為-40℃至140℃，支持驅(qū)動電壓欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能，當(dāng)驅(qū)動電壓低于特定閾值時，強(qiáng)制輸出為低電平。

NCP81075采用SOIC?8 (D)、DFN8 (MN)、WDFN10 (MT)封裝，這些器件不含鉛、不含鹵素／溴化阻燃劑（BFR），并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于電信和數(shù)據(jù)通信、高電壓降壓轉(zhuǎn)換器、隔離電源、D類音頻放大器、雙開關(guān)和有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器，NCP81075還可用于太陽能優(yōu)化器和太陽能逆變器應(yīng)用。

結(jié)語

AMR在眾多產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用持續(xù)成長，然而，復(fù)雜的AMR系統(tǒng)需要集成多種不同的技術(shù)才能自主、可靠、安全地運行。因此，AMR應(yīng)用能否成功，取決于設(shè)計時間是否選擇了合適的技術(shù)。安森美不僅可以提供電源與電機(jī)控制解決，還可提供各種傳感器（圖像、溫度、LiDAR、旋轉(zhuǎn)運動、可見光通信等），以及照明與通信等完整的產(chǎn)品解決方案，可確保AMR能夠充分發(fā)揮其潛能，將是工程師開發(fā)AMR應(yīng)用的理想合作伙伴。

審核編輯：湯梓紅