NESA029 January 2025 AMC0106M05 , AMC0106M25 , DRV8350F , DRV8353F , INA241A , TMS320F28P650DH , TMS320F28P650DK , TMS320F28P650SH , TMS320F28P650SK , TMS320F28P659DH-Q1 , TMS320F28P659DK-Q1 , TMS320F28P659SH-Q1
簡介
製造和服務(wù)業(yè)對(duì)自動(dòng)化程度的需求不斷增加，推動(dòng)了人形機(jī)器人的開發(fā)。人形裝置變得更加複雜和精確，其對(duì)周圍環(huán)境的自由度 (DOF) 更高，反應(yīng)時(shí)間（以毫秒為單位）更短，以更好地模仿人的移動(dòng)。圖 1 顯示人形機(jī)器人的典型馬達(dá)和動(dòng)作功能。
圖 1 顯示添加到人形機(jī)器人 DOF 的位置擁有更高的 DOF 代表人形機(jī)器人需要更多電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。機(jī)器人設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器位置定義了驅(qū)動(dòng)器的不同要求。部分主要規(guī)格如下：
- 通訊介面架構(gòu)
- 位置感測
- 馬達(dá)類型
- 馬達(dá)控制演算法
- 功率級(jí)要求
- 電子電路尺寸
- 功能安全考量
雖然有協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)，但目前還沒有定義人形機(jī)器人功能安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)期未來標(biāo)準(zhǔn)組織會(huì)隨著需求持續(xù)增加，規(guī)定人形機(jī)器人的安全要求。在定義安全要求之前，人形裝置設(shè)計(jì)人員必須對(duì)目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行盡職調(diào)查，以將未來的重新設(shè)計(jì)工作降到最低。ISO13482 ， ISO10218 和 ISO 3691-4 可闡明未來的預(yù)期。
通訊介面架構(gòu)
由於機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)器的位置，最佳化與所有驅(qū)動(dòng)器的通信，同時(shí)最大限度地減少布線量非常重要。實(shí)現(xiàn)最佳化的選項(xiàng)很多；最常用的方法是菊輪鍊通信和線性匯流排拓?fù)?，?圖 3 和 圖 3 所示。
圖 2 菊鍊通訊
圖 3 線性匯流排拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)後，要獲得足夠的驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間，請(qǐng)考慮頻寬，時(shí)序和延遲要求?；貞?yīng)時(shí)間可根據(jù)定義的資料訊框大小，決定所需的即時(shí)通訊協(xié)定。通訊介面的頻寬需求也會(huì)受到如何在分離式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，集中式與外部機(jī)器人動(dòng)作控制器之間分割馬達(dá)控制演算法，以將節(jié)點(diǎn)間所需通訊框架尺寸降到最低的決定影響。
一般而言，通訊系統(tǒng)的最小頻寬需求約為 8Mbit。然而，隨著設(shè)計(jì)趨勢(shì)不斷演進(jìn)，趨勢(shì)顯示對(duì)系統(tǒng)診斷與安全功能的需求也與日俱增。
視系統(tǒng)需求而定，人形裝置系統(tǒng)中通常使用的通訊介面為 CAN-FD 或乙太網(wǎng)路 (含 EtherCAT)。TI 提供實(shí)體層 (PHY) 收發(fā)器和專為啟用這些通訊協(xié)定而設(shè)計(jì)的嵌入式處理器。
CAN 收發(fā)器和乙太網(wǎng)路 IC 是人形裝置系統(tǒng)開發(fā)中使用的裝置。
位置感測
人形機(jī)器人的動(dòng)作必須接收馬達(dá)位置資料，以定義路徑規(guī)劃。位置資料可讓人形機(jī)器人以受控方式移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)高精確度的受控移動(dòng)，機(jī)器人必須配備轉(zhuǎn)子位置感測器以擷取馬達(dá)上的資訊，並能透過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器有效率地將資訊傳送至中央處理電腦。根據(jù)馬達(dá)所需的精密度，使用各種轉(zhuǎn)子位置感測器。以下是一些最常用的編碼器：
- 光學(xué)編碼器
- 磁性編碼器
- 增量式編碼器
- SIN/COS 解析器
這些編碼器具有不同的介面，可連接至驅(qū)動(dòng)器，並提供執(zhí)行位置控制所需的轉(zhuǎn)子角度資料。這些介面需要特定硬體，因此馬達(dá)控制處理器需要支援至少下列其中一種編碼器配置：
- 專業(yè)序列介面，如 BiSS、 Endat、Hiperface 或其他數(shù)位絕對(duì)編碼器
- 具有解析器介面的取樣和保持功能的 ADC 轉(zhuǎn)換器
- 適用於增量編碼器的正交編碼器脈衝
- 用於介接磁性編碼器的序列介面
一個(gè)馬達(dá)可能需要多個(gè)編碼器，視馬達(dá)和馬達(dá)傳動(dòng)的實(shí)作方式而定。TI 同時(shí)提供類比和處理器 IC ，以啟用編碼器介面系統(tǒng)。位置感測方式採用RS -485 與 RS -422 收發(fā)器及多軸線性與角度位置感測器。
馬達(dá)類型
由於人形機(jī)器人是由電池供電，因此馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)可將效率最大化，以延長機(jī)器人的運(yùn)作時(shí)間範(fàn)圍。
在使用高功率位準(zhǔn)時(shí)，人形機(jī)器人可整合 PMSM 馬達(dá)等馬達(dá)。有刷 DC 馬達(dá)可用於部分低功耗情況，例如手動(dòng)和手指控制。然而，目前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)顯示未來所有馬達(dá)都將採用無刷設(shè)計(jì)。
PMSM 馬達(dá)有兩種選擇：梯形或正弦繞組。這種繞組和控制演算法的選擇會(huì)影響馬達(dá)控制的精確度。
馬達(dá)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要主題是選擇更快速切換 FET ，進(jìn)而產(chǎn)生可提升馬達(dá)每重量扭力的全新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
馬達(dá)控制演算法
選擇馬達(dá)類型後，使用者決定如何控制馬達(dá)的方法。雖然馬達(dá)控制通常與圖 4中所示相似，但實(shí)作控制迴路有多個(gè)選項(xiàng)，其中顯示所需的類比子系統(tǒng)和處理器周邊設(shè)備。
圖 4 機(jī)器人控制的即時(shí)通訊計(jì)時(shí)需求用 圖 4 作一般範(fàn)本，表 1 列出在選擇演算法 FOC 或區(qū)塊整流時(shí)所需的周邊設(shè)備和性能。
| 馬達(dá)類型 | 有刷馬達(dá) | 梯形 PMSM | 正弦 PMSM |
|---|---|---|---|
| 半橋 | ×2 | ×3 | ×3 |
| 電流感測 | ×1 | ×1 | ×2 至 ×3 |
| 電壓感測 DC 鏈路 | ×1 | ×1 | ×1 |
| 角度感測器準(zhǔn)確度 | ≤1° | 60° | ≤1° |
| 處理能力 | 低等 | 低等 | 中 |
| 效率 | 低等 | 中 | 高等 |
TI 擁有許多不同的 MCU ，皆符合演算法與角度感測器需求，重要的因素為 IC 的尺寸，以及實(shí)現(xiàn)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的即時(shí)能力。C2000 即時(shí)微控制器和 ARM 微控制器用於馬達(dá)控制演算法。
功率級(jí)要求
根據(jù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)位置，功率水平在 4kW 至 10W 之間變化，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器介於 10W 和 1.5kW 之間。
驅(qū)動(dòng)器通常在低於 60V 的 SELV 電壓範(fàn)圍內(nèi)運(yùn)作。因此，元件必須在高達(dá) 60V 電壓下運(yùn)作。為降低放大器、FET 及閘極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中潛在雜訊的影響，以高達(dá) 100V 運(yùn)作的元件為佳。定義驅(qū)動(dòng)器的電氣規(guī)格後，還有其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
可實(shí)作印刷電路板 (PCB) 的實(shí)體尺寸是另一項(xiàng)設(shè)計(jì)考量。小尺寸 IC 和高度最佳化的功率密度設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)小空間設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。高功率密度會(huì)造成機(jī)器人潛在的溫度限制，機(jī)器人外部不得超過 55°C。在 55°C 下， 30 秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生全厚度皮膚灼傷。溫度管理方法不得包括風(fēng)扇或液體等額外冷卻。
溫度管理與空間之間的平衡，則需在功率級(jí)與每尺寸瓦特?cái)?shù)間取得平衡，進(jìn)而影響功率級(jí)架構(gòu)。其中一個(gè)可能會(huì)產(chǎn)生的問題是功率級(jí)是否需以更高的頻率運(yùn)作。此問題通常會(huì)出現(xiàn)在 MosFET 中，但與 MosFET 架構(gòu)系統(tǒng)相比， GaN FET 等新技術(shù)也可提升切換性能。就溫度敏感系統(tǒng)而言， GaN FET 的理論效率較高，因?yàn)榕c MosFET 技術(shù)相比，切換損耗最小。頻率增加會(huì)導(dǎo)致 MCU 需要其他功能，以支援必要的訊號(hào)，以足夠高的解析度實(shí)現(xiàn)更高的頻率切換。
TI MosFET 閘極驅(qū)動(dòng)器能讓客戶以最高速度切換 MosFET ，而 TI 低電壓 GaN FET 則能讓客戶快速比較並考量機(jī)器人中各位置的最佳 FET 類型。
需要高性能 MosFET 或 GaN FET 來實(shí)作驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而提升馬達(dá)效率。精密的演算法有助於減少馬達(dá) FET 的切換需求與損耗。
人形機(jī)器人由電池供電，電壓通常為 48V，或約介於 39V 至 54V 之間，待電池充電狀態(tài)開始前。使用的電壓取決於電池電量設(shè)定為最小使用量的級(jí)別。在提到驅(qū)動(dòng)器在 39V 時(shí)所需的最大功率為 4kW 之前，可以看出機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要在約 102Arms 電流下進(jìn)行最大工作以提供所需功率，但也需考量 0A 附近的精確測量，因此減少 FET 的失效時(shí)間也有利於 0A 周圍的電流量測線性度，使低電流時(shí)的測量更為精確。
在評(píng)估功率級(jí)需求和選擇適當(dāng)電流感測零件以達(dá)到所需性能等級(jí)時(shí)，電流感測也是重要的設(shè)計(jì)考量。
TI 提供同相電流感測與低壓側(cè)電流感測類比選項(xiàng)，以及如何有效實(shí)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南。通常會(huì)使用同相電流感測，以隨時(shí)維持電流並提高量測精密度。有三種不同的電流測量選項(xiàng)：
| 電流感測放大器 | Δ Σ 調(diào)變器 | 霍爾感測器 | |
|---|---|---|---|
| 精密度 | 中 | 高等 | 低等 |
| 電流等級(jí) | 50 A | 50 A | 100 A |
| PCB 難度 | 中 | 中 | 低等 |
就電流感測放大器與 Δ Σ 調(diào)變器而言，由於元件經(jīng)過改良，這些技術(shù)的電流位準(zhǔn)使用會(huì)緩慢移至 100A 左右。
功能安全
規(guī)劃未來設(shè)計(jì)時(shí)，選擇可簡化功能安全認(rèn)證的裝置非常重要。ISO13482 、ISO10218 和 ISO 3691-4 標(biāo)準(zhǔn)闡明我們對(duì)人形裝置未來的預(yù)期。C 類標(biāo)準(zhǔn) (ISO10218 和 ISO3691-4) 均提及 ISO13849 ，說明系統(tǒng)必須為 PLd。但是， ISO3691-4 的架構(gòu)由實(shí)施者自行決定，而 ISO10218 則強(qiáng)制要求採用 CAT3 架構(gòu)?？剂窟@些標(biāo)準(zhǔn)中的最糟情況，人形機(jī)器人必須考量至少 CAT3 個(gè) PLd 安全考量。執(zhí)行 CAT3 系統(tǒng)時(shí)，圖 5 中所示的安全架構(gòu)必須就位。
圖 5 IEC13849-1 ： 2015 圖 10 中的插圖TI 提供許多裝置與內(nèi)容豐富的安全說明文件，讓客戶能夠建置安全啟用的系統(tǒng)。
範(fàn)例系統(tǒng)
在圖 6，方塊圖顯示了採用 TI 元件解決 1.5kW 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的解決方案建議，可使用下列元件。
圖 6 展示系統(tǒng)實(shí)作的潛在零件的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器解決方案如需詳細(xì)零件資訊，請(qǐng)參考下列 TI 設(shè)計(jì)和 EVM 以查看系統(tǒng)級(jí)性能結(jié)果：
摘要
人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)需要考量精確性、靈活性和創(chuàng)新。德州儀器提供全方位的積體電路代表產(chǎn)品，讓工程師能夠在打造能夠與機(jī)器人環(huán)境無縫互動(dòng)的機(jī)器人時(shí)，符合各種設(shè)計(jì)規(guī)格。TI 擁有廣泛的評(píng)估模組，參考設(shè)計(jì)和安全認(rèn)證裝置，可簡化開發(fā)程序，協(xié)助加快上市時(shí)間，並有信心地獲得功能安全認(rèn)證。與 TI 合作，將幫助您實(shí)現(xiàn)更智慧，更快速且更安全機(jī)器人的願(yuàn)景。