機(jī)器人精度大升級！先進(jìn)的電流和電壓檢測技術(shù)如何助力更精確電機(jī)控制？

想象一個類人機(jī)器人嘗試穿針引線，或者一個協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 在食品加工廠中處理易碎品。極輕微的計(jì)算錯誤也會導(dǎo)致它們無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

機(jī)器人離不開精度。電流和電壓檢測技術(shù)的進(jìn)步可顯著提高機(jī)器人處理復(fù)雜任務(wù)的能力，同時(shí)加快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)更平滑的類人型運(yùn)動。功能隔離式轉(zhuǎn)換器讓機(jī)器人在更小的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，從而使它們更智能、更安全和更高效。

隨著低于 60V 的自主移動機(jī)器人和類人機(jī)器人等機(jī)器人承擔(dān)越來越復(fù)雜的角色，它們需要運(yùn)行更長時(shí)間并具有更高的電源效率。精確的電流和電壓檢測測量直接對精度和快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，進(jìn)而使機(jī)器人能夠更快、更精確地到達(dá)其目前位置和方向。在實(shí)現(xiàn)安全導(dǎo)航和執(zhí)行突發(fā)任務(wù)（例如對負(fù)載或環(huán)境條件的變化做出反應(yīng)）時(shí)，納秒級時(shí)間至關(guān)重要。這些測量結(jié)果為機(jī)器人的控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使機(jī)器人能夠即時(shí)調(diào)整其動作并在執(zhí)行任務(wù)期間保持精度。圖 1 顯示了電流和電壓檢測精度如何幫助機(jī)器人提高準(zhǔn)確性。

圖 1：電流和電壓檢測精度會影響精密機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的方式

需要提高傳感能力

盡管電壓和電流檢測解決方案可以為當(dāng)今的機(jī)器人系統(tǒng)帶來諸多益處，但要實(shí)現(xiàn)更高性能的感應(yīng)，仍有許多挑戰(zhàn)需要攻克。一個普遍的難題是如何針對提供給電機(jī)的電流和電壓執(zhí)行精確的低噪聲測量。在目前的機(jī)器人系統(tǒng)中，三相逆變器以低電流或低電壓電平運(yùn)行，并產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲，可能會干擾現(xiàn)有非隔離式傳感器測量的精度。

在設(shè)計(jì)具有精細(xì)運(yùn)動技能的機(jī)器人時(shí)，較慢的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和較不精確的運(yùn)動可能會帶來巨大的挑戰(zhàn)，而執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)正需要以非常平滑且可控的方式實(shí)施這些技能。

設(shè)計(jì)工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是許多機(jī)器人（包括移動機(jī)器人）都由電池供電，因此很難在保持性能的同時(shí)優(yōu)化能效。功率不足還會導(dǎo)致系統(tǒng)故障、任務(wù)持續(xù)時(shí)間有限和運(yùn)營成本增加。

除了性能方面的挑戰(zhàn)之外，緊湊型類人機(jī)器人中用于附加傳感電路的空間也有限。在不顯著增加模塊尺寸或系統(tǒng)重量的情況下，集成電流檢測和電壓檢測電路可能是一大難題。

進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，需要在高壓和低壓域中隔離電源和控制電路。要防止發(fā)生短路事件或出現(xiàn)過壓情況，就需要快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這些故障，以避免損壞其他元件。

實(shí)現(xiàn)精確的電流和電壓測量

為了克服傳統(tǒng)機(jī)器人在設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)，德州儀器的功能隔離式轉(zhuǎn)換器使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩操作和精確的電機(jī)控制，同時(shí)在低于 60V 的緊湊設(shè)計(jì)中保持小尺寸和低成本。

AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能隔離式 Δ-Σ 電流感應(yīng)調(diào)制器以及 AMC0136 功能隔離式電壓感應(yīng)調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)更精確的電流和電壓測量。與如今的 8 位到 11 位模擬解決方案相比，這些器件具有 12 到 14 個有效位數(shù) (ENOB)，如圖 2 所示。測量精度的提高可以改進(jìn)對低電流和電壓電平的測量，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)的機(jī)器人任務(wù)和移動。

圖 2：提高 ENOB 和過采樣率有助于降低噪聲和提高分辨率

電隔離式調(diào)制器具有 150V/ns 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可改善防噪性能和系統(tǒng)級溫漂。數(shù)字接口確保脈寬調(diào)制開關(guān)不會影響測量精度。這些特性使機(jī)器人設(shè)計(jì)人員能夠使用 50V/ns 或更高的開關(guān)速度來實(shí)現(xiàn)高效的氮化鎵電機(jī)設(shè)計(jì)。開關(guān)柵極時(shí)，高 CMTI 還可以降低電源接地噪聲干擾微控制器的風(fēng)險(xiǎn)，從而防止數(shù)據(jù)損壞和性能下降。

除了功能隔離式調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的性能優(yōu)勢外，這些器件采用 3.5mm x 2.7mm 封裝，與其他增強(qiáng)型隔離式調(diào)制器解決方案相比，可將感應(yīng)解決方案的尺寸縮小 50% 以上（參閱圖 3）。這種更小的外形尺寸還支持使用更小的印刷電路板 (PCB)，從而實(shí)現(xiàn)更小的機(jī)器人。

圖 3：AMC0106M05 將 PCB 解決方案尺寸縮小 50%

AMC21C12 功能隔離式比較器有助于實(shí)現(xiàn) 290ns 的響應(yīng)時(shí)間，以防止出現(xiàn)短路事件或過壓情況等故障。這種故障檢測速度可以通過快速關(guān)斷柵極驅(qū)動器來幫助避免系統(tǒng)中的其他元件損壞。

結(jié)語

隨著功能隔離式傳感和高速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)方面取得預(yù)期進(jìn)展，人們可以暢想機(jī)器人未來可實(shí)現(xiàn)的各種可能性。它們可以進(jìn)行高級顯微手術(shù)或高速組裝小型電子產(chǎn)品。自主移動機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境中更高效地導(dǎo)航；協(xié)作機(jī)器人可以在裝配線中更安全地工作；類人機(jī)器人可以進(jìn)行復(fù)雜的維修，甚至還可以洗衣服。