自主移动机器人的电源和电机控制解决方案

自主移动机器人的电源

和电机控制解决方案

自主移动机器人（AMR）为不同领域和行业带来了诸多优势，包括提高了安全性和效率。然而，为了使AMR能够安全、独立地工作，这些复杂的系统需要精心集成多项技术，像是电源和运动控制这两个重要组件便至关重要。本文将为您介绍AMR的设计注意事项，以及由安森美（onsemi）所提供的相应解决方案。

AMR的电源与电机控制子系统

扮演关键角色

AMR具备和自动驾驶汽车类似的性能，是由一系列子系统构成的复杂设计，机器人能够在尽可能少的人类交互下，安全地移动、观测和运行。要打造灵活而智能的AMR，电源和运动控制技术发挥的作用很关键。随着时间推移，单个系统和组件的选择可对这些先进方案的性能与可靠性产生显着影响。

首先，AMR中使用的电源系统和电源组件会对其总电池寿命和工作时长产生重大影响。为AMR设计电源系统时需要考虑能量密度、电压和电流要求、效率、方案尺寸等重要的性能特征和参数。

AMR通常使用锂离子电池，因为此类电池的能量密度高，使用时间长。同时，电源管理单元可调节从电池到其他组件的功率流。电压和电流水平通过开关转换器和稳压器进行控制。AMR中的电池管理系统可监控电池的状态、电量、温度和电流，以确保AMR安全高效地运行，而车载电池充电器的规格取决于电池类型、容量和电压。智能电源模块为电机控制系统提供高功率开关，IPM中的功率开关配有栅极驱动器，用于提供相应的信号来打开和关闭开关，功率因数校正（PFC）控制器则可提升电源系统的总效率。

其次，在AMR中，电机驱动型执行器用于移动机器手臂和轮子，因此其选择至关重要。AMR需要采用效率高且紧凑轻便的高扭矩和高速执行器。选择执行器时，需要对无刷直流（BLDC）电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板（UCB）和栅极驱动器等组件进行评估。

与有刷电机相比，BLDC电机具有多个优势。BLDC电机的效率高、噪声低且高度可靠，可以减少维护工作，因此被广泛应用于AMR中。然而，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器，其中的三相BLDC电机则广泛用于机器人和工业驱动器。

电机控制器的功能是精确控制AMR执行器中的电机。这些器件可通过嵌入式控制算法来完全集成，也可使用运行电机控制算法的专用微控制器单元（MCU）。AMR中常见的三相电机则是由功率晶体管使用脉宽调制（PWM）开-关信号驱动。这些开关可由硅或宽禁带材料制成，比如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）。

可靠的智能电源与电机控制解决方案

安森美提供了众多可靠的智能电源、电机控制和传感方案，最大程度简化了设计的复杂度，为客户的设计提供坚实的基础。从强固、高分辨率的成像系统，到高功率电机控制，再到高效率、紧凑型电池充电方案，这些子系统方案都是建立在安森美深耕汽车行业数十年的经验技术之上。安森美的系列方案能够简化开发流程，并让AMR即使身处最严苛的工作环境也能够快速适应、可靠运行。

针对电源应用方面，安森美推出多种PFC控制器非常适合AC-DC电源应用，比如图腾柱无桥PFC前端或基于LLC谐振拓扑的DC-DC级。它们还适用于高电压DC-DC功率级，可在AMR中实现高效率和高密度快速电池充电器设计。

在BLDC电机控制解决方案方面，安森美提供包括ECS640A ecoSpin电机控制器UCB、NCP81075栅极驱动器，以及可用于加速AMR执行器开发的电源板。

UCB是基于Xilinx Zynq-7000 SoC的系统级模块（SoM），非常适合精密应用，也可用于先进的人工智能（AI）。此外，安森美提供基于屏蔽栅极沟槽技术的MOSFET（30V至150V），并提供u8FL、SO8-FL、双面冷却和顶部冷却等封装选项。

基于T10技术的全新30-40V和80V MOSFET支持低压与中压应用，T10器件分为两大类别，分别用于电源转换和电机控制。用于电机控制的T10M器件提供出色的导通电阻，UIS能力提高10%，并具有优异的体二极管软恢复性能，可降低电压尖峰并解决EMI问题。

对于高功率应用中的三相BLDC电机，安森美推荐使用基于PTNG技术的MOSFET（80 V、100 V、120 V和150 V），而NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC和NTBLS4D3N15MC MOSFET可满足高性能应用的要求。

高度集成的低功耗三相BLDC电机控制器

安森美推出的ECS640A是ecoSpin可配置电机控制器系列的最新成员，这是一款三相BLDC电机控制器，集成了超低功耗优化的Arm Cortex-M0+微控制器、三个感应放大器和一个参考放大器（NCS20034）、三个自举二极管和一个专为高压、高速运行而设计的高压栅极驱动器，能够驱动工作电压高达600V的MOSFET和IGBT（FAN73896）。

ECS640A的六个栅极驱动器输出为外部电源设备提供350 mA/650 mA（典型值）栅极电流的灌／拉电流。该器件包括霍尔传感器输入，支持有传感器或无传感器操作，三个独立的低侧源极引脚可实现单路或多路分流测量。ECS640A的保护功能包括欠压锁定和逆变器过流跳闸，并具有自动故障清除功能，并提供开漏故障信号来指示已发生故障情况。

ECS640A的直接扭矩和磁通控制（DTFC）固件现已推出，可在Arm Cortex-M0+平台上实现最佳电机性能。客户可直接从Theta Power Systems, Intl获得DTFC代码许可。ECS640A较小的占地面积和集成度，使该器件非常适合分立功率器件，以最大限度地提高跨平台的可扩展性，并随着功率水平的扩展而最大限度地减少面积要求。

ECS640A具有64kB闪存和8kB SRAM的Arm Cortex M0+嵌入式微控制器，支持600V FAN73896栅极驱动器，以及NCS20034的7MHz、高转换速率、轨到轨四路放大器，采用小尺寸SiP，并具有“易于使用”的用户环境。

ECS640A常应用于制冷压缩机和鼓风机、暖通空调（HVAC）鼓风机和冷凝器、泳池水泵、工业驱动器和泵与机器人技术，常见的终端产品包括冰箱、瓶装饮料冷藏柜、消费类空调机组、暖通空调鼓风机、商用空调机组、白色家电与协作机器人等。

高性能的双MOSFET栅极驱动器

安森美推出的NCP81075是一款高性能双MOSFET栅极驱动器，经过优化可驱动同步降压转换器中高压侧和低压侧功率MOSFET的栅极。NCP81075集成了一个驱动器集成电路和一个自举二极管，使用片上自举二极管来消除外部分立二极管，驱动能力高达4A，适用于驱动在高达180 V电压下运行的高速、高电压MOSFET，其高压侧和低压侧驱动器可独立控制，并且彼此匹配的导通和关断时间间隔为4 ns，并带有匹配的3.5 ns典型传播延迟。

NCP81075可驱动高压侧和低压侧的两个N通道MOSFET，可用于高端栅极驱动的集成自举二极管，其自举电源电压范围高达180V，开关频率高达1 MHz，具备4A拉电流、4A灌电流输出能力，并可以8ns/7 ns的典型上升／下降时间驱动1nF负载，支持8.5V至20V的宽电源电压范围，具有快速传播延迟时间（典型值20 ns）与2 ns延迟匹配（典型值），工作结温范围为-40℃至140℃，支持驱动电压欠压锁定（UVLO）保护功能，当驱动电压低于特定阈值时，强制输出为低电平。

NCP81075采用SOIC−8 (D)、DFN8 (MN)、WDFN10 (MT)封装，这些器件不含铅、不含卤素／溴化阻燃剂（BFR），并且符合RoHS标准，可广泛应用于电信和数据通信、高电压降压转换器、隔离电源、D类音频放大器、双开关和有源钳位正激转换器，NCP81075还可用于太阳能优化器和太阳能逆变器应用。

结语

AMR在众多产业中的应用持续成长，然而，复杂的AMR系统需要集成多种不同的技术才能自主、可靠、安全地运行。因此，AMR应用能否成功，取决于设计时间是否选择了合适的技术。安森美不仅可以提供电源与电机控制解决，还可提供各种传感器（图像、温度、LiDAR、旋转运动、可见光通信等），以及照明与通信等完整的产品解决方案，可确保AMR能够充分发挥其潜能，将是工程师开发AMR应用的理想合作伙伴。

审核编辑：汤梓红