安森美的電源方案和電機控制方案如何應用于自主移動機器人

自主移動機器人 (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(shù)。在開發(fā) AMR 時，設(shè)計階段在很大程度上決定了 AMR 成功與否，因此至關(guān)重要。本博客詳細討論了 AMR 的兩個重要組件——電源和運動控制的設(shè)計注意事項，以及安森美(onsemi)提供的相應解決方案。

圖 1：安森美自主移動機器人演示

為 AMR 供電

自主移動機器人中使用的電源系統(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)時要考慮的重要性能特征和參數(shù)包括：

●  能量密度

●  電壓和電流要求

●  效率

●  方案尺寸

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(guān)。IPM 中的功率開關(guān)配有柵極驅(qū)動器，用于提供相應的信號來打開和關(guān)閉開關(guān)。功率因數(shù)校正 (PFC) 控制器可提升電源系統(tǒng)的總效率。安森美的 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(shè)計。

圖 2：AMR 電源解決方案

AMR 執(zhí)行器的電機設(shè)計

在 AMR 中，電機驅(qū)動型執(zhí)行器用于移動機器手臂和輪子，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、電機控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和柵極驅(qū)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。其效率高、噪聲低且高度可靠，可以減少維護工作，因此被應用于 AMR 中。然而，控制此類電機需要復雜的算法和適當?shù)尿?qū)動器。三相 BLDC 電機廣泛用于機器人和工業(yè)驅(qū)動器。

圖 3：AMR BLDC 電機控制解決方案

電機控制器的功能是精確控制 AMR 執(zhí)行器中的電機。這些器件可完全集成（通過嵌入式控制算法）；或者，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?(SiC) 或氮化鎵 (GaN)。安森美提供多個 BLDC 電機控制解決方案，包括ECS640A ecoSpin? 電機控制器 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(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 支持低壓與中壓應用。T10 器件分為兩大類別，分別用于電源轉(zhuǎn)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(shù)的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），而 NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC 和 NTBLS4D3N15MC MOSFET 可滿足高性能應用的要求。

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要打造靈活而智能的自主移動機器人，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方案的性能與可靠性產(chǎn)生顯著影響。安森美可以全力支持設(shè)計人員完成選擇過程，確保 AMR 能夠充分發(fā)揮其潛能。欲了解有關(guān) AMR 的更多信息，請下載我們的白皮書：“自主移動機器人的解決方案和注意事項”。