0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

GaN FET在人形機器人中的應(yīng)用

德州儀器 ? 來源:德州儀器 ? 作者:德州儀器 ? 2025-02-19 17:46 ? 次閱讀
加入交流群
微信小助手二維碼

掃碼添加小助手

加入工程師交流群

從科幻走入現(xiàn)實,人形機器人正經(jīng)歷一場靜默而深刻的技術(shù)革命:更高效的能源控制、更精準的運動算法、更高速的通信架構(gòu)、更智能的環(huán)境感知能力......這些變革正在重塑機器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。

歡迎來到

《人形機器人專題》

我們將為大家?guī)硭钠盗形恼?/p>

從不同方面對人形機器人進行知識解析

本文將聚焦GaN FET在人形機器人中的應(yīng)用

引言

人形機器人集成了許多子系統(tǒng),包括伺服控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng) (BMS)、傳感器系統(tǒng)、AI 系統(tǒng)控制等。如果要將這些系統(tǒng)集成到等同人類的體積內(nèi),同時保持此復(fù)雜系統(tǒng)平穩(wěn)運行,會很難滿足尺寸和散熱要求。人形機器人內(nèi)空間受限最大的子系統(tǒng)是伺服控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)與人類相似的運動范圍,通常在整個機器人中部署大約 40 個伺服電機 (PMSM) 和控制系統(tǒng)。電機分布在機器人身體的不同部位,例如頸部、軀干、手臂、腿、腳趾等。該數(shù)字不包括手部的電機。為了模擬人手的自由操作,單只手即可能集成十多個微型電機。這些電機的電源要求取決于所執(zhí)行的具體功能;例如,驅(qū)動機器人手指的電機可能只需要數(shù)安培電流,而驅(qū)動髖關(guān)節(jié)或腿的電機可能需要 100 安培或更高的電流。

與傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)相比,人形機器人的伺服系統(tǒng)具有更高的控制精度、尺寸和散熱要求。本文介紹了GaN(氮化鎵)技術(shù)在電機驅(qū)動器中的各種優(yōu)勢,并展示了GaN 如何幫助解決人形機器人中伺服系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

更精確的控制

在伺服電機驅(qū)動應(yīng)用中,電機控制通常分為幾個控制回路層:電流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高級別的運動控制回路。這些回路通常以級聯(lián)的形式排列,每個回路都有“實時”處理要求。電流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每個上游回路以其之前回路的倍數(shù)運行,并為下游回路提供輸入?yún)⒖?。圖 1顯示了典型的級聯(lián)控制拓撲。

48edc128-eea5-11ef-9310-92fbcf53809c.png

圖 1:典型的伺服電機控制回路技術(shù)

控制回路最重要的部分是電流回路。通常,F(xiàn)ET 開關(guān)頻率與電流回路相同,約為 8kHz 至 32kHz。電流回路的速度直接影響電機控制的精度和響應(yīng)速度。人形機器人的一個簡單動作涉及多個伺服電機的控制。為了協(xié)調(diào)機器人身體中的近 40 個電機,同時保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,每個關(guān)節(jié)的控制精度和響應(yīng)速度必須滿足非常高的要求。可通過提高電機控制回路的速度和 PWM 頻率來滿足這些要求。例如,100kHz (圖 2) 的開關(guān)頻率可以實現(xiàn)分辨率更高的電機電流,從而實現(xiàn)更小的電機電流紋波和更精確的控制。高分辨率電機電流波形也意味著可以獲得更好的正弦電流,這可以提高電機的運行效率并減少電機發(fā)熱。

490ad8ee-eea5-11ef-9310-92fbcf53809c.png

圖 2:100kHz 和 10kHz PWM 電機電流

此外,增加 PWM 開關(guān)頻率可以減小 DC 總線電容器的尺寸和電容。對于要替換為陶瓷電容器的電解電容器,需要滿足的總線電容要求降低。伺服功率級 FET 通過 PWM 信號定期從總線電容器汲取電流。當(dāng) PWM 頻率增加時,每個單位時間消耗的電荷量減小,這意味著所需的總線電容減少。根據(jù)TIDA-010936的測試,將 PWM 頻率從 20kHz 提高到 80kHz 后,可以用電容相等的陶瓷電容器代替電解電容器,以獲得相似的總線電壓紋波。與電解電容器相比,陶瓷電容器具有明顯優(yōu)勢:更小的尺寸、更長的使用壽命、更好的高頻特性等。

因此,在設(shè)計人形機器人時必須考慮速度更高的電流回路和更高的 PWM 頻率。對于 MOSFET 型伺服驅(qū)動器,PWM 開關(guān)頻率的增加會帶來很大的額外損耗,從而導(dǎo)致驅(qū)動器嚴重發(fā)熱。當(dāng)開關(guān)頻率從 10kHz 增加到 20kHz 時,MOSFET 型驅(qū)動器會讓總體損耗增加 20%至 30%,這對于人形機器人是不可接受的。此外,GaN FET 在高頻下具有較低開關(guān)損耗。在TIDA-010936測試中,電路板損耗在 40kHz 和 80kHz 下幾乎相同,因此GaN 特別適合高開關(guān)頻率場景。

圖 3:TIDA-010936 電路板在 48V 輸入電壓下的損耗與三相輸出電流間的關(guān)系

減少開關(guān)損耗

GaN 之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此低的開關(guān)損耗,源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的柵極電容 (CG) 和更小的輸出電容 (Coss),可實現(xiàn)達到 Si-MOSFET 100 倍的開關(guān)速度。由于關(guān)斷和開通時間縮短,可以在較短的范圍內(nèi)控制死區(qū)時間,例如 10-20ns,而 MOSFET 通常需要約 1us 的死區(qū)時間。死區(qū)時間的縮短可降低開關(guān)損耗。此外,GaN FET 沒有體二極管,但續(xù)流功能通過第三象限操作實現(xiàn)。在高頻 PWM 場景中,MOSFET 的體二極管會導(dǎo)致較大的反向恢復(fù)損耗(Qrr 損耗)。第三象限操作還可避免開關(guān)節(jié)點響鈴和由體二極管引起的 EMI 風(fēng)險,從而降低對高功率密度人形機器人中其他器件的干擾。

尺寸更小

人形機器人的關(guān)節(jié)空間有限。電源板通常是直徑為 5-10 cm 的環(huán)形 PCB。此外,關(guān)節(jié)必須集成電機、減速器、編碼器甚至傳感器。重要的是,設(shè)計人員必須在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率和更穩(wěn)定的電機控制。與 MOSFET 相比,GaN 具有更小的 RSP(比電阻、裸片面積尺寸比較),這意味著與具有相同 RDSon 的 MOSFET 相比,GaN 具有更小的裸片面積。德州儀器 (TI) 通過集成 FET 和柵極驅(qū)動器進一步減小了占用空間。這樣可以實現(xiàn) 4.4mΩ 半橋 + 柵極驅(qū)動器,并且封裝僅為 4.5 x 5.5mm。

491b681c-eea5-11ef-9310-92fbcf53809c.png

圖 4:LMG2100 方框圖

以LMG2100R026為例。該器件集成了半橋的 FET 和半橋驅(qū)動器,可承受 55A 的持續(xù)電流。將驅(qū)動器與 FET 集成有許多優(yōu)勢,包括:

減少了柵極響鈴,讓運行更可靠

減小了電源回路電感并且優(yōu)化了封裝尺寸

通過集成柵極驅(qū)動器減小了尺寸

通過集成的保護功能保護器件

為了在設(shè)計中比較 GaN 和 MOSFET,我們可以查看提供類似功率級別的TIDA-010936和TIDA-01629設(shè)計。如圖 5所示,由于集成了柵極驅(qū)動器并降低了 GaN 的 RSP,整個功率器件的芯片面積減小了 50% 以上。

493ad634-eea5-11ef-9310-92fbcf53809c.png

圖 5:GaN 與 MOSFET 功率級比較

總結(jié)

人形機器人對控制精度和功率密度的要求較高。GaN 可以在高 PWM 頻率下以低損耗輕松實現(xiàn)更高精度的電機控制。GaN 的高功率密度特性與德州儀器 (TI) 的集成式驅(qū)動器的特性相結(jié)合,可進一步減小尺寸。由于這些優(yōu)勢,GaN 型電機驅(qū)動器可能會成為人形機器人的首選設(shè)計,帶來更高效、更穩(wěn)定和更智能的機器人設(shè)計。

除了人形機器人之外,GaN 技術(shù)也是其他類型機器人(協(xié)作機器人、外科手術(shù)機器人、AGV)、工業(yè)伺服系統(tǒng)、家用電器和其他需要高功率密度的應(yīng)用的理想選擇。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • 伺服電機
    +關(guān)注

    關(guān)注

    88

    文章

    2116

    瀏覽量

    59606
  • FET
    FET
    +關(guān)注

    關(guān)注

    3

    文章

    807

    瀏覽量

    64312
  • GaN
    GaN
    +關(guān)注

    關(guān)注

    19

    文章

    2204

    瀏覽量

    76717
  • 人形機器人
    +關(guān)注

    關(guān)注

    7

    文章

    731

    瀏覽量

    17610

原文標題:人形機器人 | GaN FET 在人形機器人中的應(yīng)用

文章出處:【微信號:tisemi,微信公眾號:德州儀器】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

收藏 1人收藏
加入交流群
微信小助手二維碼

掃碼添加小助手

加入工程師交流群

  • jf_168769391
  • ben1111

評論

相關(guān)推薦
熱點推薦

伺服電動缸人形機器人中的應(yīng)用

伺服電動缸人形機器人中的應(yīng)用非常廣泛,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:一、核心運動部件伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品,能將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。通過結(jié)構(gòu)上的改造,伺服電動缸
發(fā)表于 02-06 09:04

為什么人形機器人更討人喜歡?

鎖、玩接球……人形機器人不僅善于調(diào)節(jié)自我身體平衡,會起臥、完全直立行走、行動自如地穿越復(fù)雜地形,適應(yīng)戶外和室內(nèi)環(huán)境,甚至摔倒后會自己站起來。它們還會活靈活現(xiàn)地模仿人類的動作,隨音樂起舞、打拳擊
發(fā)表于 05-12 09:55

有人玩過人形機器人嗎?

有沒有人玩過人形機器人?就是那種能跳舞的那種。我突然心血來潮,想買一個過來玩玩。編幾個程序,拿來跳舞玩玩。這種東西自己制作的話,應(yīng)該也不難吧??!本來想*寶買的,但是不清楚那些東西是不是舵機搞的,特此來論壇問問
發(fā)表于 01-29 06:36

現(xiàn)代機器人中有什么傳感器?

控制和通信 IC 的發(fā)展實現(xiàn)下一代的機器人中起到重要作用。然而,這些復(fù)雜的現(xiàn)代機器人的核心是許多新的、小型化和低成本的傳感技術(shù)的出現(xiàn)與融合。對實現(xiàn)下一代機器人至關(guān)重要的幾項關(guān)鍵傳感器
發(fā)表于 07-31 07:46

嵌入式技術(shù)機器人中發(fā)揮什么作用

嵌入式技術(shù)機器人中這樣發(fā)揮作用!
發(fā)表于 05-11 13:17

工業(yè)機器人中面對的控制問題是什么

剛開始接觸機器人的時候,我師兄的機器人代碼里死活找不到有關(guān)控制計算的函數(shù),作為常年和控制框圖打交道的我,很是疑惑控制回路去哪里了?因此本文介紹一下工業(yè)機器人中的控制問題。參考華科賀磊
發(fā)表于 06-28 09:29

工業(yè)機器人中有哪些控制問題

工業(yè)機器人中的伺服驅(qū)動的目的是什么?工業(yè)機器人中的關(guān)節(jié)內(nèi)部驅(qū)動結(jié)構(gòu)是怎樣構(gòu)成的?
發(fā)表于 10-11 08:37

【教程1】人形街舞機器人-套件檢測教程

多自由度人形雙足舞蹈機器人——瘋殼·機器人開發(fā)系列套件檢測教程內(nèi)容簡介本文檔主要介紹如何驗證多自由度人形雙足街舞
發(fā)表于 08-12 15:55

Nadia人形機器人中如何獨樹一幟

佛羅里達州人機認知研究所(Florida Institute for Human & Machine Cognition,IHMC)是世界上最為頂尖的研究雙足人形機器人步行運動控制的研究所之一。
發(fā)表于 10-20 15:27 ?911次閱讀

步進電機工業(yè)機器人中的應(yīng)用

類型,工業(yè)機器人中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文將從步進電機的定義、特點出發(fā),詳細探討其工業(yè)機器人中的應(yīng)用,并結(jié)合相關(guān)案例進行分析,以期為工業(yè)機器人
的頭像 發(fā)表于 06-17 10:10 ?1422次閱讀

FUTEK傳感器人形機器人中的應(yīng)用

FUTEK 的工程團隊設(shè)計和定制力和扭矩傳感器方面擁有深厚的專業(yè)知識,以克服和應(yīng)對人形機器人創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。探索如何將 FUTEK 力和扭矩傳感器方面的專業(yè)知識用于主要的
的頭像 發(fā)表于 11-12 09:26 ?804次閱讀

變速齒輪機器人中的使用

變速齒輪機器人中具有廣泛的應(yīng)用,它們通過改變轉(zhuǎn)速和扭矩來滿足機器人執(zhí)行不同任務(wù)時的需求。以下是對變速齒輪機器人中使用情況的分析: 一、變
的頭像 發(fā)表于 12-04 17:11 ?1017次閱讀

探討 GaN FET 人形機器人中的應(yīng)用優(yōu)勢

德州儀器的 Eason Tian 和 Kyle Wolf 撰寫,主要探討了 GaN FET(氮化鎵場效應(yīng)晶體管)人形機器人中的應(yīng)用優(yōu)勢,旨
的頭像 發(fā)表于 02-14 14:33 ?803次閱讀
探討 <b class='flag-5'>GaN</b> <b class='flag-5'>FET</b> <b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>人形</b><b class='flag-5'>機器人中</b>的應(yīng)用優(yōu)勢

石英晶振人形機器人中的應(yīng)用

北京亦莊半程馬拉松暨人形機器人半程馬拉松不僅見證了人類不斷超越自我的美好意志,還充分展示了人形機器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)與卓越成果。
的頭像 發(fā)表于 04-21 18:03 ?504次閱讀

石英晶振人形機器人中的應(yīng)用

4月19日7點30分,全球首場“人機共跑”半程馬拉松賽事北京正式開跑,全世界為之矚目和驚嘆。北京亦莊半程馬拉松暨人形機器人半程馬拉松不僅見證了人類不斷超越自我的美好意志,還充分展示了人形
的頭像 發(fā)表于 05-02 09:00 ?611次閱讀
石英晶振<b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>人形</b><b class='flag-5'>機器人中</b>的應(yīng)用

電子發(fā)燒友

中國電子工程師最喜歡的網(wǎng)站

  • 2931785位工程師會員交流學(xué)習(xí)
  • 獲取您個性化的科技前沿技術(shù)信息
  • 參加活動獲取豐厚的禮品