如何將系統(tǒng)效率和安全性融入更大功率的機器人中

隨著制造業(yè)的自動化程度不斷提高，以及消費者在家中安裝這些自動化系統(tǒng)，機器人市場將繼續(xù)增長。公司紛紛開始在其工廠和倉庫中實現(xiàn)制造系統(tǒng)的自動化，并適應未來機器人與人類進行更多互動的情形。

制造機器人的設計工程師了解，有數(shù)百種不同類型的機器人系統(tǒng)。如圖 1 所示，機器人種類繁多，從功率只有幾瓦的小型輔助機器人到自主移動機器人、類人機器人以及功率高達 4kW 及更高的重型工業(yè)機器人。

圖 1. 協(xié)作機器人、移動機器人、類人機器人和工業(yè)機器人有各種形狀和尺寸,功率級別范圍為 10W 至 ≥4kW

機器人制造商在開發(fā)高級系統(tǒng)時面臨幾項設計挑戰(zhàn)。上述機器人應用通常使用 48V 電壓軌并支持 2kg 至 40kg 的有效載荷。在設計更高負載時，工程師必須同時考慮機械和設計影響，以適應更高的功率級別。較高的電流可能會因電磁干擾 (EMI) 或開關損耗過高而導致系統(tǒng)性能低下。功能安全也是一個重要因素，因為機器人經(jīng)常在有人類存在的環(huán)境中使用。無論是在生產(chǎn)車間還是在消費者的家中，設計能夠在必要時安全關閉的系統(tǒng)都非常重要。

借助 TI DRV8162 等智能單半橋柵極驅動器，您可以靈活地創(chuàng)建能夠承受大功率和電壓范圍，同時降低 EMI 并符合功能安全標準的集成系統(tǒng)。

面向各種功率級別的設計

我們的智能柵極驅動器采用 TI 的 IDRIVE 可調(diào)柵極驅動電流方案，可在多個級別的柵極電流中控制 MOSFET 壓擺率。DRV8162 具有 16 種可調(diào)的粒度設置（如圖 2 所示），可控制何時選擇 MOSFET 和終端應用。有關 IDRIVE 的更多詳細信息，請閱讀了解智能柵極驅動。

圖 2. DRV8162 的 16 個 IDRIVE 設置和可編程的拉電流/灌電流比可省去外部無源器件并簡化設計

使用方程式 1，您可以通過 MOSFET 的柵漏電荷 (Qgd) 規(guī)格以及 MOSFET 漏極和源極之間最大電壓的上升和下降時間，估算出哪個 IDRIVE 設置更適合您的系統(tǒng)。這些值根據(jù)您的系統(tǒng)性能要求而變化。

方程式 1

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的柵極驅動設置，您將需要額外的無源器件（包括柵極電阻器）來實現(xiàn)所需的柵極電流。這些額外元件增加了總體物料清單成本，并增加了印刷電路板 (PCB) 的尺寸，這可能會對協(xié)作機器人、移動機器人和類人關節(jié)中的小型設計造成影響。

使用同類半橋柵極驅動器時，需要使用外部柵極電阻器，因為它們僅提供固定電流或兩到四個分立式設置。DRV8162 驅動器中的 16 種柵極驅動設置和可編程拉/灌比率讓您可以靈活地移除外部無源器件并簡化設計。

寬 Qgd 支持使您可以在具有不同 MOSFET 的各種低功率、中功率和高功率機器人平臺上使用驅動器，而無需更改每個系統(tǒng)中的柵極驅動器設計。DRV8162 的柵極拉電流和灌電流可分別設置為低至 16mA 和 32mA，最高可達 1024mA 和 2048mA。例如，48V 系統(tǒng)中的 1V/ns 壓擺率可用于計算 48ns Trise/Tfall。這會產(chǎn)生該器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范圍。

提高系統(tǒng)性能

與三相集成式柵極驅動器相比，DRV8162 的單半橋架構使其能夠更靠近 FET。圖 3 展示了兩種圓形 PCB 設計，其中比較了三相與單相半橋實現(xiàn)。

圖 3. 采用三相柵極驅動器實現(xiàn)方案的圓形 PCB 設計,左側是 MCU、驅動器和 FET，右側是單個半橋設計

將柵極驅動器放置在更靠近 FET 的位置可縮短布線長度，提高信號完整性，并減少柵極和源極節(jié)點上的寄生效應。更短的路徑還有助于降低布線電感的影響，從而降低振鈴和 EMI。

此外，DRV8162 有助于通過 20ns 的死區(qū)時間改善系統(tǒng)效率和聲學性能，還有助于擴大工作脈寬調(diào)制占空比范圍，從而擴大速度范圍，同時提高電機的可用電壓。更短的死區(qū)時間還可以更大限度減少二極管導通損耗，提高系統(tǒng)效率，并減少電機電流失真，從而降低可聞噪聲。這些效果可提高系統(tǒng)的整體性能和效率。

機器人中的 STO

許多機器人與人類并肩作戰(zhàn)，因此在發(fā)生電源故障、電涌或短路時關閉系統(tǒng)至關重要。在器件扭矩無法預測的情況下，電機驅動應用出現(xiàn)故障可能會導致危險情況。由于一些機械在涉及重負載的工業(yè)環(huán)境中運行，因此必須能夠安全關閉并防止意外啟動。

國際電工委員會 (IEC) 61800-5-2 標準定義了電路設計中被稱為安全扭矩關斷 (STO) 的安全功能，該功能可防止向電機供電。DRV8162 和 TI 的 DRV8162L 采用了分離電源架構，可幫助您在系統(tǒng)中實施 STO。

在更高功率的設計中，工程師可以參考適用于集成電機驅動器的 48V、4kW 小型三相逆變器參考設計 (TIDA-010956)，該設計采用了具有 48VDC 輸入電壓和 85ARMS 輸出電流的 DRV8162L。如圖 4 所示，該設計包含建議的 STO 概念、并聯(lián) FET、高功率和單個半橋柵極驅動器。

圖 4. TI 的三相逆變器參考設計 (TIDA-010956)

結語

機器人的現(xiàn)有電機設計采用分立式實現(xiàn)來滿足安全要求，這會增加電路板尺寸和物料清單數(shù)量。為了提高各種形狀和尺寸的機器人的效率和安全性，需要使用 DRV8162 這類更小、更安全的集成式柵極驅動器。新款智能單半橋柵極驅動器助力設計人員將功率從 10W 擴展到 4kW 及更高，同時縮小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供靈活性，從而在未來多年內(nèi)加速機器人創(chuàng)新。