自主移動機器人的電源

和電機控制解決方案

自主移動機器人（AMR）為不同領域和行業(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，這些復雜的系統(tǒng)需要精心集成多項技術，像是電源和運動控制這兩個重要組件便至關重要。本文將為您介紹AMR的設計注意事項，以及由安森美（onsemi）所提供的相應解決方案。

AMR的電源與電機控制子系統(tǒng)

扮演關鍵角色

AMR具備和自動駕駛汽車類似的性能，是由一系列子系統(tǒng)構成的復雜設計，機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發(fā)揮的作用很關鍵。隨著時間推移，單個系統(tǒng)和組件的選擇可對這些先進方案的性能與可靠性產生顯著影響。

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生重大影響。為AMR設計電源系統(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轉換器和穩(wěn)壓器進行控制。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控制系統(tǒng)提供高功率開關，IPM中的功率開關配有柵極驅動器，用于提供相應的信號來打開和關閉開關，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，電機驅動型執(zhí)行器用于移動機器手臂和輪子，因此其選擇至關重要。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、電機控制器、MOSFET、通用控制器板（UCB）和柵極驅動器等組件進行評估。

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

電機控制器的功能是精確控制AMR執(zhí)行器中的電機。這些器件可通過嵌入式控制算法來完全集成，也可使用運行電機控制算法的專用微控制器單元（MCU）。AMR中常見的三相電機則是由功率晶體管使用脈寬調制（PWM）開-關信號驅動。這些開關可由硅或寬禁帶材料制成，比如碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）。

可靠的智能電源與電機控制解決方案

安森美提供了眾多可靠的智能電源、電機控制和傳感方案，最大程度簡化了設計的復雜度，為客戶的設計提供堅實的基礎。從強固、高分辨率的成像系統(tǒng)，到高功率電機控制，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)十年的經驗技術之上。安森美的系列方案能夠簡化開發(fā)流程，并讓AMR即使身處最嚴苛的工作環(huán)境也能夠快速適應、可靠運行。

針對電源應用方面，安森美推出多種PFC控制器非常適合AC-DC電源應用，比如圖騰柱無橋PFC前端或基于LLC諧振拓撲的DC-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計。

在BLDC電機控制解決方案方面，安森美提供包括ECS640A ecoSpin電機控制器UCB、NCP81075柵極驅動器，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），非常適合精密應用，也可用于先進的人工智能（AI）。此外，安森美提供基于屏蔽柵極溝槽技術的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技術的全新30-40V和80V MOSFET支持低壓與中壓應用，T10器件分為兩大類別，分別用于電源轉換和電機控制。用于電機控制的T10M器件提供出色的導通電阻，UIS能力提高10%，并具有優(yōu)異的體二極管軟恢復性能，可降低電壓尖峰并解決EMI問題。

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

高度集成的低功耗三相BLDC電機控制器

安森美推出的ECS640A是ecoSpin可配置電機控制器系列的最新成員，這是一款三相BLDC電機控制器，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、高速運行而設計的高壓柵極驅動器，能夠驅動工作電壓高達600V的MOSFET和IGBT（FAN73896）。

ECS640A的六個柵極驅動器輸出為外部電源設備提供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，三個獨立的低側源極引腳可實現(xiàn)單路或多路分流測量。ECS640A的保護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)最佳電機性能?？蛻艨芍苯訌腡heta 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展性，并隨著功率水平的擴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柵極驅動器，以及NCS20034的7MHz、高轉換速率、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常應用于制冷壓縮機和鼓風機、暖通空調（HVAC）鼓風機和冷凝器、泳池水泵、工業(yè)驅動器和泵與機器人技術，常見的終端產品包括冰箱、瓶裝飲料冷藏柜、消費類空調機組、暖通空調鼓風機、商用空調機組、白色家電與協(xié)作機器人等。

高性能的雙MOSFET柵極驅動器

安森美推出的NCP81075是一款高性能雙MOSFET柵極驅動器，經過優(yōu)化可驅動同步降壓轉換器中高壓側和低壓側功率MOSFET的柵極。NCP81075集成了一個驅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，驅動能力高達4A，適用于驅動在高達180 V電壓下運行的高速、高電壓MOSFET，其高壓側和低壓側驅動器可獨立控制，并且彼此匹配的導通和關斷時間間隔為4 ns，并帶有匹配的3.5 ns典型傳播延遲。

NCP81075可驅動高壓側和低壓側的兩個N通道MOSFET，可用于高端柵極驅動的集成自舉二極管，其自舉電源電壓范圍高達180V，開關頻率高達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／下降時間驅動1nF負載，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），工作結溫范圍為-40℃至140℃，支持驅動電壓欠壓鎖定（UVLO）保護功能，當驅動電壓低于特定閾值時，強制輸出為低電平。

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標準，可廣泛應用于電信和數(shù)據(jù)通信、高電壓降壓轉換器、隔離電源、D類音頻放大器、雙開關和有源鉗位正激轉換器，NCP81075還可用于太陽能優(yōu)化器和太陽能逆變器應用。

結語

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

審核編輯：湯梓紅