協(xié)作機器人到類(lèi)人機器人：將系統效率和安全性融入更大功率的機器人中

隨著(zhù)制造業(yè)的自動(dòng)化程度不斷提高，以及消費者在家中安裝這些自動(dòng)化系統，機器人市場(chǎng)將繼續增長(cháng)。公司紛紛開(kāi)始在其工廠(chǎng)和倉庫中實(shí)現制造系統的自動(dòng)化，并適應未來(lái)機器人與人類(lèi)進(jìn)行更多互動(dòng)的情形。

制造機器人的設計工程師了解，有數百種不同類(lèi)型的機器人系統。如圖 1 所示，機器人種類(lèi)繁多，從功率只有幾瓦的小型輔助機器人到自主移動(dòng)機器人、類(lèi)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(dòng)機器人、類(lèi)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(kāi)發(fā)高級系統時(shí)面臨幾項設計挑戰。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(shí)，工程師必須同時(shí)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(huì )因電磁干擾 (EMI) 或開(kāi)關(guān)損耗過(guò)高而導致系統性能低下。功能安全也是一個(gè)重要因素，因為機器人經(jīng)常在有人類(lèi)存在的環(huán)境中使用。無(wú)論是在生產(chǎn)車(chē)間還是在消費者的家中，設計能夠在必要時(shí)安全關(guān)閉的系統都非常重要。

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

面向各種功率級別的設計

我們的智能柵極驅動(dòng)器采用 TI 的 IDRIVE 可調柵極驅動(dòng)電流方案，可在多個(gè)級別的柵極電流中控制 MOSFET 壓擺率。DRV8162 具有 16 種可調的粒度設置（如圖 2 所示），可控制何時(shí)選擇 MOSFET 和終端應用。

圖2 DRV8162的16 個(gè)IDRIVE設置和可編程的拉電流/灌電流比可省去外部無(wú)源器件并簡(jiǎn)化設計

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

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的柵極驅動(dòng)設置，您將需要額外的無(wú)源器件（包括柵極電阻器）來(lái)實(shí)現所需的柵極電流。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(huì )對協(xié)作機器人、移動(dòng)機器人和類(lèi)人關(guān)節中的小型設計造成影響。

使用同類(lèi)半橋柵極驅動(dòng)器時(shí)，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(gè)分立式設置。DRV8162 驅動(dòng)器中的 16 種柵極驅動(dòng)設置和可編程拉/灌比率讓您可以靈活地移除外部無(wú)源器件并簡(jiǎn)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(dòng)器，而無(wú)需更改每個(gè)系統中的柵極驅動(dòng)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 系統中的 1V/ns 壓擺率可用于計算 48ns Trise/Tfall。這會(huì )產(chǎn)生該器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范圍。

提高系統性能

與三相集成式柵極驅動(dòng)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(shí)現。

圖3 采用三相柵極驅動(dòng)器實(shí)現方案的圓形PCB設計，左側是MCU、驅動(dòng)器和FET，右側是單個(gè)半橋設計

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

此外，DRV8162 有助于通過(guò) 20ns 的死區時(shí)間改善系統效率和聲學(xué)性能，還有助于擴大工作脈寬調制占空比范圍，從而擴大速度范圍，同時(shí)提高電機的可用電壓。更短的死區時(shí)間還可以更大限度減少二極管導通損耗，提高系統效率，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的整體性能和效率。

機器人中的STO

許多機器人與人類(lèi)并肩作戰，因此在發(fā)生電源故障、電涌或短路時(shí)關(guān)閉系統至關(guān)重要。在器件扭矩無(wú)法預測的情況下，電機驅動(dòng)應用出現故障可能會(huì )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(guān)閉并防止意外啟動(dòng)。

國際電工委員會(huì ) (IEC) 61800-5-2 標準定義了電路設計中被稱(chēng)為安全扭矩關(guān)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，可幫助您在系統中實(shí)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(dòng)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(gè)半橋柵極驅動(dòng)器。

圖4 TI的三相逆變器參考設計(TIDA-010956)

結語(yǔ)

機器人的現有電機設計采用分立式實(shí)現來(lái)滿(mǎn)足安全要求，這會(huì )增加電路板尺寸和物料清單數量。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(lèi)更小、更安全的集成式柵極驅動(dòng)器。新款智能單半橋柵極驅動(dòng)器助力設計人員將功率從 10W 擴展到 4kW 及更高，同時(shí)縮小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供靈活性，從而在未來(lái)多年內加速機器人創(chuàng )新。

（本文來(lái)源于《EEPW》202501）