AMR電機控制方案超強整理

人工視覺、傳感器與控制算法日益進步，機器人也正變得越來越智能，現(xiàn)在已經(jīng)能夠自主執(zhí)行一些復雜的任務，例如移動、抓取和定位物體。自主移動機器人 (AMR) 具有多種優(yōu)勢，例如提高效率、降低人力成本和提升安全性，目前已在許多行業(yè)得到普遍應用，包括制造業(yè)、醫(yī)療保健、物流和倉儲、農(nóng)業(yè)、零售業(yè)和酒店業(yè)。本文為白皮書第一篇，將重點講解電機控制方案。

AMR主要技術概覽

在制造行業(yè)，AMR 可用于運輸貨物、在工作站之間移動物品，以及在制造流程中執(zhí)行質(zhì)量控制任務；在醫(yī)療保健領域可用于運輸醫(yī)療用品和設備，并能夠降低污染風險、提高運營效率；

在物流倉儲領域可用于運輸貨物、裝卸車輛，并可以在各種環(huán)境下作業(yè)，從而能夠提高安全性和效率；在農(nóng)業(yè)領域能夠降低人力成本，并提供準確的農(nóng)作物監(jiān)測和土壤分析結果；在零售和酒店業(yè)，AMR 可以運輸物品和引導賓客，使員工能夠?qū)Ｗ⒂谂c客戶的互動，從而改善客戶服務。技術仍在不斷進步，我們期待看到更多實用的 AMR 創(chuàng)新應用。

這些機器人變得更加智能，并且能夠與人類互動和協(xié)作，其中所牽涉的技術數(shù)量也不斷增加，例如運動、機器視覺、自主導航、傳感和連接技術。

自主移動機器人設計涉及各種重要器件，例如無刷直流電機、傳感器、電源、照明和通信器件等。相比有刷電機，無刷直流電機具有可靠性高、維護量少、效能高等多種優(yōu)勢，但其控制需要復雜的算法和適合的驅(qū)動器。三相 BLDC 電機廣泛用于機器人及其他要求嚴苛的應用，其中大多數(shù)是由功率晶體管驅(qū)動的，而功率晶體管采用脈沖寬度調(diào)制 PWM 信號來確定導通和關斷狀態(tài)之間的換向。

圖 1.工業(yè)自動化機器人的主要器件

電機控制器可以通過全整合將控制算法嵌入到器件中，或使用專用的微控制器 (MCU) 來實現(xiàn)所需的控制算法。功率 MOSFET 基于硅或?qū)捊麕Р牧希ɡ?SiC 和 GaN），可驅(qū)動三相 BLDC 電機。

機器人需借助不同類型的傳感器來獲取環(huán)境相關信息并與之交互。典型的傳感器包括圖像傳感器、溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器和激光雷達。這些傳感器大多數(shù)采用固態(tài)技術制造，具有成本低、可靠性高、性能長期穩(wěn)定等優(yōu)點。

此外，機器人還需要電源供應器，并且應由電池供電以實現(xiàn)完全自主。為此，需要用到各種不同的器件，例如電池充電器、電池和電流監(jiān)測器、負載開關和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 2. 安森美 AMR 框圖

電機控制方案

自主移動機器人 (AMR) 需借助先進的執(zhí)行器技術來精準控制其運動軌跡，因此，為 AMR 設計選用合適的執(zhí)行器技術至關重要。做選擇時，需綜合評估無刷直流電機控制器、功率晶體管、通用控制板和柵極驅(qū)動器等器件。接下來我們將探討 AMR 設計和開發(fā)中所使用的執(zhí)行器技術，并重點介紹 AMR 電機驅(qū)動技術選擇所涉及的技術細節(jié)和關鍵因素。

執(zhí)行器（例如電機）負責讓機器人的輪子或手臂進行運動，是 AMR 功能必不可少的器件。AMR 的性能要求、與系統(tǒng)的兼容性、可靠性和成本效益是器件選擇過程中的關鍵考慮因素。此外，執(zhí)行器還必須能夠提供高扭矩、高速度、高能效，并且兼具重量小、外形緊湊等特性。

BLDC 電機能效高、噪音低、壽命長，此外其扭矩重量比很高，因此經(jīng)常用于 AMR，是移動機器人的理想選擇。電機控制器可控制電機的速度和方向，其主要優(yōu)點是能夠精確控制電機的運動。電機開發(fā)套件在 AMR 開發(fā)中不可或缺，使工程師有機會嘗試不同的電機控制策略。MOSFET 是負責切換和控制大電流的電子器件，常用在電機控制器中，用于控制流過電機繞組的電流。

通用控制板簡化了將不同器件集成到單一系統(tǒng)的相關工作。柵極驅(qū)動器控制著施加到 MOSFET 或電機控制器中其他類型晶體管的電壓和電流，是高性能電機控制應用的理想選擇。

安森美 (onsemi)提供多種 BLDC 電機控制方案，包括ecoSpin? 電機控制器 (ECS640A)、通用控制板 (UCB)、NCP81075 柵極驅(qū)動器和 MOSFET 三相 BLDC 電源板。ECS640A 是一款三相 BLDC 電機控制器，集成了針對低功耗優(yōu)化的 Arm? Cortex?-M0+ 微控制器和專為高壓、高速操作而設計的柵極驅(qū)動器。UCB 是基于 Xilinx? Zynq?-7000 SoC 的系統(tǒng)模塊，適用于高端控制和 AI 應用。NCP81075 是一款高性能雙 MOSFET 柵極驅(qū)動 IC，專為高壓、高速操作而設計，最高可驅(qū)動 180 V MOSFET。MOSFET 電源板由四塊板組成，用于驅(qū)動低壓和中壓三相 BLDC 電機。

安森美基于屏蔽柵極溝槽技術設計了多款 MOSFET，功率范圍涵蓋 30 V 到 150 V，此外還提供多種封裝選項，包括傳統(tǒng)封裝以及更緊湊、熱效率更高的雙面散熱和頂部散熱先進封裝?；谛?T10 技術的 30 V、40 V 和 80 V MOSFET 支持低壓和中壓三相 BLDC 電機。NTMFWS0D42N04X (40 V.42 mQ) 和 NTMFWS1D5N08X (80 V1.5 mQ) 均為 RDS(on) 超低的 FET，目前均已發(fā)售。

安森美提供基于 PTNG 技術的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），其 Qrr 較低，適用于高功率 BLDC 電機應用。

執(zhí)行器技術在設計和開發(fā) AMR 時的作用不容小覷。BLDC 電機、電機控制器、電機開發(fā)套件、MOSFET、通用控制板和柵極驅(qū)動器等先進執(zhí)行器技術有助于精確控制 AMR 的運動軌跡。執(zhí)行器技術仍在持續(xù)發(fā)展，我們未來有望看到更復雜、功能更強大的 AMR。