服務(wù)型機(jī)器人設(shè)計(jì)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

市場準(zhǔn)備、技術(shù)成熟度和交付價(jià)值等環(huán)境的完美風(fēng)暴正在促進(jìn)機(jī)器人在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的普及。這一發(fā)展的重要貢獻(xiàn)者是半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)允許具有出色的功率效率和小尺寸的移動(dòng)性。本文著眼于功率半導(dǎo)體如何實(shí)現(xiàn)更有效、更可靠和多維的服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)。

在大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，適合工作/生活環(huán)境的小尺寸是優(yōu)先考慮的，能源效率也是長電池壽命的優(yōu)先事項(xiàng)。這兩個(gè)目標(biāo)還要求在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色的熱管理，以確?？煽啃裕⒃?a target="_blank">產(chǎn)品壽命方面提供積極的消費(fèi)者體驗(yàn)。

在回顧了電力電子器件如何適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)的整體架構(gòu)之后，我們將轉(zhuǎn)向機(jī)器人不同驅(qū)動(dòng)技術(shù)的用例和優(yōu)勢，重點(diǎn)關(guān)注MOSFET、封裝和高開關(guān)頻率解決方案，如氮化鎵（GaN）。

服務(wù)型機(jī)器人中的通用系統(tǒng)架構(gòu)

最常見的機(jī)器人架構(gòu)具有中央處理器 （CPU）、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通信 （COM） 模塊、人機(jī)界面 （HMI）、傳感器和驅(qū)動(dòng)模塊（有刷和無刷電機(jī)），如圖 1 所示。雖然有些機(jī)器人不包括這里討論的所有組件，但這是一個(gè)很好的系統(tǒng)概述，并確定了功率半導(dǎo)體與微控制器甚至安全/認(rèn)證組件緊密集成的領(lǐng)域。

常見的機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)框圖。

雖然主CPU/MCU是中央大腦，承載著系統(tǒng)的大部分智能，但典型的設(shè)計(jì)將包括與電源架構(gòu)相關(guān)的其他MCU。它們執(zhí)行指令，并向主 CPU 報(bào)告狀態(tài)。

大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人都是電池驅(qū)動(dòng)的，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的靈活性。這些機(jī)器人具有板載充電器，可直接連接到交流電網(wǎng)。機(jī)器人中包含一個(gè)充電器，用于產(chǎn)生高壓直流電平，電源管理單元將進(jìn)一步向下處理。無線充電功能對于需要連續(xù)工作且需要在操作時(shí)充電的系統(tǒng)特別有用。

電源/電池管理單元負(fù)責(zé)電池的整體狀況（包括健康和安全方面），并保護(hù)電池免受系統(tǒng)過壓或過電流的影響。在電池模塊中，安全性（包括身份驗(yàn)證）是需要考慮的關(guān)鍵因素。電池還依賴于通用微控制器來實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)中的計(jì)量或監(jiān)控等輔助功能。除了電池管理單元外，電源管理單元還通過穩(wěn)定地控制其余模塊所需的電壓軌（12V、5V 或 3，3V）為機(jī)器人中的不同組件供電。這可以通過降壓轉(zhuǎn)換器控制器或線性穩(wěn)壓器（固定和可調(diào)）來實(shí)現(xiàn)。

電源軌當(dāng)然驅(qū)動(dòng)框圖左側(cè)的多個(gè)組件。此組件組合包括：

- 通信模塊，通?；?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/wi-fi/" target="_blank">Wi-Fi或藍(lán)牙，支持連接到其他機(jī)器人或控制單元。在許多情況下，本地控制器負(fù)責(zé)通信過程，充當(dāng)機(jī)器人主控制器與外部世界之間的網(wǎng)關(guān)。

- 人機(jī)界面通過簡單的顯示器甚至高分辨率顯示器以及用于向用戶提供信息或反饋的 LED 來實(shí)現(xiàn)。如果為機(jī)器人提供了足夠的智能，能夠與用戶進(jìn)行口頭交互，則需要音頻輸入和語音輸出設(shè)備。

- 傳感器系統(tǒng)越來越多樣化。位置傳感器（霍爾傳感器、編碼器）以及速度、角度或電流傳感器用于驅(qū)動(dòng)器。如果機(jī)器人需要精確了解其環(huán)境，則需要更多類型的傳感器，例如用于運(yùn)動(dòng)感測（距離和方向）的雷達(dá)傳感器、氣壓傳感器和用于物體識別的 3D 圖像傳感器。

最后，驅(qū)動(dòng)模塊是通用系統(tǒng)架構(gòu)的一部分。當(dāng)需要精確定位、高速或安靜運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)人員將選擇無刷直流 （BLDC） 電機(jī)和一組位置傳感器。否則，如果低性能的電機(jī)控制（慢速，低精度）就足夠了，設(shè)計(jì)人員將選擇成本較低的有刷電機(jī)。還有許多應(yīng)用，其中有刷和無刷電機(jī)共存，以滿足性能和成本效率目標(biāo)。

解決開關(guān)和傳導(dǎo)損耗問題

優(yōu)化機(jī)器人電池壽命的一種方法是提高各種所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，從而減少功率損耗。導(dǎo)通和開關(guān)損耗都是焦點(diǎn)。持續(xù)創(chuàng)新以改善MOSFET的品質(zhì)因數(shù)，特別關(guān)注降低RDS（ON）MOSFET 的漏極至源出導(dǎo)通電阻）和柵極電荷（電容）有助于設(shè)計(jì)人員將這兩種類型的損耗降至最低。

根據(jù)控制方法的不同，觀察到不同的損耗。當(dāng)使用同步整流時(shí)，如果電流飛輪通過其體二極管，則低側(cè)MOSFET導(dǎo)通。這大大降低了體二極管的傳導(dǎo)損耗（P損失= IF x VF），作為 RDS（ON）隨著新一代產(chǎn)品的發(fā)展，MOSFET的價(jià)值越來越低。然而，低側(cè)二極管仍然是損耗的主要來源之一。為了解決這個(gè)問題，英飛凌BSC010N04LSI等MOSFET集成了肖特基二極管，可降低正向電壓，從而最大限度地降低二極管中的功率損耗。

功率損耗細(xì)分顯示高側(cè) （HS） 和低側(cè) （LS） MOSFET 中的導(dǎo)通 （“Cond-”） 和開關(guān) （“SW-”） 損耗以及體二極管 （D） 損耗。低側(cè)體二極管的導(dǎo)通占主導(dǎo)地位，可以通過使用LSI器件來減少。

圖2顯示了使用模塊換向PWM（6級）和18 V電源電壓在三相逆變器中測量的功率損耗擊穿。用于比較的MOSFET是LS和LSI（集成肖特基）版本的BSC010N04。蠟燭圖清楚地表明，導(dǎo)通（“Cond-”）和開關(guān)（“SW-”）損耗在高端（“HS”）和低側(cè)（“LS”）MOSFET中都起著重要作用。與此相關(guān)的主要發(fā)現(xiàn)有三個(gè)：

低側(cè)MOSFET中的開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樵试S軟開關(guān)。

低邊二極管的傳導(dǎo)損耗是迄今為止最主要的損耗來源。

集成肖特基二極管的 MOSFET 的 LSI（快速二極管）版本可將導(dǎo)通損耗降低約 25%。這種減少取決于系統(tǒng)條件，例如電流水平。

開關(guān)損耗與開關(guān)頻率密切相關(guān)。機(jī)器人逆變器的常見頻率范圍為 10 kHz 至 40 kHz。開關(guān)頻率越高，損耗越高。一流的低R值DS（ON）低電荷MOSFET顯著降低了這兩種類型的損耗;然而，損耗是不可避免的，并且電源開關(guān)中總是會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，熱管理是驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。在考慮高功率密度設(shè)備時(shí)尤其如此，例如在小型機(jī)械臂中。

英飛凌的DirectFET?封裝（如圖3所示）是一種雙側(cè)冷卻封裝，金屬封裝和內(nèi)部硅芯片之間直接連接，直接連接到底部的PCB，從而最大限度地減少了對外部的熱阻。這些封裝有效地將熱量從結(jié)點(diǎn)分配到PCB的底部，并從頂部通過金屬封裝分配到空氣中或可選的散熱器中，用于更嚴(yán)格的情況。與 D 相比，該封裝將熱量降低了 50% 以上2帕克設(shè)備。它具有超薄的外形，非常適合空間受限的設(shè)計(jì)，例如機(jī)器人應(yīng)用和電池組中的設(shè)計(jì)。

DirectFET? 封裝允許在高密度驅(qū)動(dòng)器中優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)。直接場效應(yīng)晶體管?和D之間的熱阻比較2PAK 包。

高開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)解決方案

工程師現(xiàn)在可以在其應(yīng)用中利用氮化鎵（GaN）器件的特性。與硅替代品相比，較低的導(dǎo)通電阻導(dǎo)致更低的傳導(dǎo)損耗，更小的電容導(dǎo)致更少的開關(guān)損耗，以及改進(jìn)的體二極管反向恢復(fù)，使GaN器件成為高開關(guān)頻率電源應(yīng)用的絕佳選擇。增加開關(guān)頻率有助于通過減少例如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)來幫助提高驅(qū)動(dòng)器的性能。在電源等其他應(yīng)用中，這種技術(shù)可用于有效減小磁性元件的尺寸。

隨著開關(guān)頻率的增加，控制器必須進(jìn)行調(diào)整。必須考慮PWM分辨率，以確保整個(gè)環(huán)路保持在所需的精度范圍內(nèi)。XMC4100系列等微控制器具有高分辨率PWM模塊，即使在開關(guān)頻率增加時(shí)也能支持高分辨率環(huán)路。此外，當(dāng)開關(guān)頻率提高時(shí)，必須考慮微控制器的處理能力。假設(shè)采用逐周期控制，那么可用于完成新占空比計(jì)算的時(shí)間就會(huì)減少。英飛凌提供廣泛的控制器產(chǎn)品組合，性能范圍廣泛，從32 MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0到144 MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F????，以及需要更高級別功能安全性和性能的AURIX?。增加控制回路執(zhí)行頻率可以改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，從而實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

MCU采用專用于XMC1300或XMC1400等電機(jī)控制應(yīng)用的MATH協(xié)處理器，支持要求更高的電機(jī)控制應(yīng)用。數(shù)學(xué)協(xié)處理器包括一個(gè)用于三角計(jì)算的 CORDIC 單元和一個(gè)除法單元。與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)（硬件與軟件計(jì)算）相比，該協(xié)處理器減少了控制環(huán)路的執(zhí)行時(shí)間，如圖4所示，該圖4比較了余弦函數(shù)和除法函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，余弦函數(shù)和除法函數(shù)通常用于磁場定向控制（FOC）等電機(jī)控制算法。

使用不帶 MATH 協(xié)處理器（標(biāo)準(zhǔn)）的標(biāo)準(zhǔn) ARM? Cortex-M0? 以及使用集成的 MATH 協(xié)處理器和 DIVIDE 單元的 XMC1300，余弦和除法函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時(shí)間。

總結(jié)

下一代機(jī)器人解決方案和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)參數(shù)具有挑戰(zhàn)性。工程師可以從不同的半導(dǎo)體解決方案中進(jìn)行選擇，以微調(diào)其設(shè)計(jì)并滿足開關(guān)頻率和熱阻等技術(shù)參數(shù)。為了構(gòu)建優(yōu)化良好的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員必須最大限度地降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗損耗，并優(yōu)化熱管理。

集成肖特基二極管的MOSFET可以降低正向電壓，從而將二極管中的功率損耗降至最低。工程師還可以利用新的封裝設(shè)計(jì)，如DirectFET?，提供優(yōu)化的熱管理。最后，GaN器件等新的寬帶隙解決方案將為更高開關(guān)頻率的驅(qū)動(dòng)器奠定基礎(chǔ)，在精度和尺寸方面都有幫助。

審核編輯：郭婷