為什么電流檢測(cè)是協(xié)作式移動(dòng)機(jī)器人的必備條件

機(jī)器人在制造和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施中越來越普遍。工廠正在擴(kuò)大移動(dòng)機(jī)器人的使用，以幫助在沒有人工交互的情況下自主將物品從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，同時(shí)還擴(kuò)大了協(xié)作機(jī)器人的使用，以實(shí)現(xiàn)更高效的工作并減少工人疲勞。電流檢測(cè)在移動(dòng)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人中起著至關(guān)重要的作用，有助于實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。

移動(dòng)機(jī)器人通常在主電源軌上使用 48 V 至 80 V 的鋰離子電池運(yùn)行，并且可能會(huì)在主電源軌上遇到超過 150 A 的高浪涌電流。移動(dòng)機(jī)器人上的輔助電源軌可以利用 3.3 V 至 80 V 之間的任何電壓為照明、電機(jī)、視覺系統(tǒng)、CPU、內(nèi)存和其他相關(guān)子系統(tǒng)等外圍設(shè)備供電。次級(jí)電源軌上的電流水平通常要低得多，在數(shù)十安培的范圍內(nèi)。

另一方面，協(xié)作機(jī)器人通常在24 V至60 V之間工作。系統(tǒng)內(nèi)的電流水平（特別是電動(dòng)機(jī)中的電流）通常為每個(gè)節(jié)點(diǎn)約20 A或更低。精確的電流測(cè)量在協(xié)作機(jī)器人中更為重要，因?yàn)?a target="_blank">高精度提供了嚴(yán)格的系統(tǒng)控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全高效操作。

電流檢測(cè)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)相電流測(cè)量、電池管理系統(tǒng)和一般外設(shè)監(jiān)控等用例的機(jī)器人系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。

移動(dòng)和協(xié)作機(jī)器人中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)控制應(yīng)用中，電流檢測(cè)IC現(xiàn)在具有一個(gè)前端，該前端利用了一種稱為增強(qiáng)型脈寬調(diào)制（PWM）抑制的技術(shù)。該技術(shù)最大限度地減少了由開關(guān)共模電壓信號(hào)引起的輸出誤差，這在在線相電流測(cè)量中非常常見。如 圖1，它改善了電氣特性，如失調(diào)、增益誤差和溫度漂移，從而實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)系統(tǒng)性能和超精確測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。

圖1 PWM 抑制改善了失調(diào)、增益誤差和溫度漂移等電氣特性。源： 德州儀器

更仔細(xì)地觀察電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 圖2 顯示了移動(dòng)或協(xié)作機(jī)器人中三相電機(jī)系統(tǒng)中電流檢測(cè)IC的五個(gè)潛在位置。從左上角開始是一個(gè)高側(cè)直流母線，它與相位無關(guān)，可監(jiān)控整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)中的電流負(fù)載以及短路情況。隨后的電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)在每個(gè)相位的高端，監(jiān)控進(jìn)入電機(jī)每個(gè)相位的電流。監(jiān)控每個(gè)相位使系統(tǒng)能夠更好地檢測(cè)哪個(gè)相位可能運(yùn)行不正確。對(duì)于高端測(cè)量，電流檢測(cè)IC通常具有最高的系統(tǒng)電壓電平。

圖2 以下是機(jī)器人系統(tǒng)中常用的電機(jī)電流檢測(cè)方法的概要。來源：德州儀器

圖2的中心是在線電流監(jiān)控，它支持閉環(huán)反饋系統(tǒng)。控制器部分現(xiàn)在可以根據(jù)相電流水平控制系統(tǒng)，從而提供更嚴(yán)格的控制能力。直列電機(jī)電流檢測(cè)的困難在于開關(guān)共模信號(hào);然而，PWM抑制技術(shù)除了檢測(cè)高達(dá)110 V的高共模電壓外，還可以幫助減輕PWM信號(hào)可能產(chǎn)生的誤差，類似于高端測(cè)量。這些特性使得在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些IC變得更加容易，并通過實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的系統(tǒng)控制來提高整體效率。

圖2中的最后配置是低側(cè)相位和低側(cè)直流母線。低邊測(cè)量通常在較低的電壓電平下進(jìn)行，因?yàn)镮C靠近地電位;這些IC可以監(jiān)視低側(cè)電流。低側(cè)監(jiān)控可全面讀取系統(tǒng)中的電流測(cè)量值;它還在負(fù)載后提供較低級(jí)別的保護(hù)和控制?？梢栽陔姍C(jī)系統(tǒng)中使用這些配置中的一種或多種。

移動(dòng)和協(xié)作機(jī)器人中的負(fù)載點(diǎn)檢測(cè)

圖3 展示了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)如何監(jiān)控外圍設(shè)備，如照明、雷達(dá)、處理系統(tǒng)和其他相關(guān)子系統(tǒng)。通常，電源系統(tǒng)為次級(jí)電源軌和通道提供直流電源。電源被引導(dǎo)到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，然后輸送到負(fù)載開關(guān)，負(fù)載開關(guān)連接和斷開負(fù)載與電源的連接，以在不需要外圍設(shè)備時(shí)節(jié)省能源并提高效率。

圖3 以下是機(jī)器人系統(tǒng)中使用的負(fù)載點(diǎn)電流檢測(cè)方法的廣泛視圖。來源：德州儀器

當(dāng)開關(guān)使能時(shí)，電流檢測(cè)IC監(jiān)控通過開關(guān)的電流和電壓，并通過I將電壓、電流、功率和其他重要信息傳輸回微控制器2C. 此數(shù)據(jù)有助于確保系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和峰值效率。您也可以在這里使用電流檢測(cè)IC，但在大多數(shù)情況下需要更多的硬件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或微控制器上的通用輸入/輸出引腳。但是，在需要快速過流檢測(cè)的特定情況下，電流檢測(cè)IC具有1 μs比較器。

機(jī)器人安全趨勢(shì)的新興趨勢(shì)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）3961-4規(guī)定了無人駕駛移動(dòng)機(jī)器人及其倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全要求，而ISO 15066規(guī)定了協(xié)作工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及其工作環(huán)境的安全要求。ISO標(biāo)準(zhǔn)有所不同，因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)或區(qū)域周圍移動(dòng)的能力具有更大的自由度，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生事故的可能性增加。

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，汽車電子委員會(huì)（AEC）-Q100 IC可以幫助確保最高的IC質(zhì)量，并且這些IC生成的信息是可靠的。

在移動(dòng)或協(xié)作機(jī)器人平臺(tái)中利用電流檢測(cè)可以提高安全性和效率，減少工人疲勞，并幫助監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況。實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)IC存在尺寸等挑戰(zhàn)，但小外形晶體管（SOT）-23或SC-70封裝有助于最大限度地減少尺寸限制。

使用電流檢測(cè) IC 可以通過實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的控制和運(yùn)行狀況監(jiān)控來幫助設(shè)計(jì)人員增加增強(qiáng)的功能。電流檢測(cè)正在不斷擴(kuò)展，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電流檢測(cè)的使用將變得越來越重要，因?yàn)楦嗟?a target="_blank">電子設(shè)備將需要監(jiān)控。