【導(dǎo)讀】制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對更高自動(dòng)化水平的需求不斷增長，推動(dòng)了人形機(jī)器人的開發(fā)。人形機(jī)器人變得更加復(fù)雜和精確，自由度 (DOF) 變得更高，并且對周圍環(huán)境的響應(yīng)時(shí)間（按毫秒計(jì)）縮短，從而能更好地模仿人類的動(dòng)作。圖 1 展示了人形機(jī)器人的典型電機(jī)和運(yùn)動(dòng)功能。
從科幻走入現(xiàn)實(shí)，人形機(jī)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(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。 歡迎來到 《人形機(jī)器人專題》 我們將為大家?guī)硭钠盗形恼拢?從不同方面對人形機(jī)器人進(jìn)行知識解析，本文將聚焦人形機(jī)器人中的電機(jī)控制。
引言
制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對更高自動(dòng)化水平的需求不斷增長，推動(dòng)了人形機(jī)器人的開發(fā)。人形機(jī)器人變得更加復(fù)雜和精確，自由度 (DOF) 變得更高，并且對周圍環(huán)境的響應(yīng)時(shí)間（按毫秒計(jì)）縮短，從而能更好地模仿人類的動(dòng)作。圖 1 展示了人形機(jī)器人的典型電機(jī)和運(yùn)動(dòng)功能。
圖 1：顯示人形機(jī)器人 DOF 變得更高的位置
具有更高的 DOF 意味著人形機(jī)器人需要更多的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。機(jī)器人設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器位置決定了不同的驅(qū)動(dòng)器要求。部分關(guān)鍵規(guī)格是：
· 通信接口架構(gòu)
· 位置感測
· 電機(jī)類型
· 電機(jī)控制算法
· 功率級要求
· 電子電路尺寸
· 功能安全注意事項(xiàng)
目前，雖然針對協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但沒有規(guī)定人形機(jī)器人功能安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。隨著需求的持續(xù)增長，預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將來會(huì)為人形機(jī)器人規(guī)定安全要求。在規(guī)定安全要求之前，人形機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須對當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)查，從而在將來盡可能減少因重新設(shè)計(jì)所帶來的工作。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 可以闡明未來的預(yù)期。
通信接口架構(gòu)
鑒于驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的位置，因此優(yōu)化與所有驅(qū)動(dòng)器的通信，同時(shí)最大限度地減少布線數(shù)量非常重要。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的備選方法有很多；最常用的方法是菊花鏈通信和線性總線拓?fù)洌鐖D 2 和圖 3 所示。
圖 2：菊花鏈通信
圖 3：線性總線拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto; font-family: Arial, 微軟雅黑; font-size: 15px; text-wrap-mode: wrap; background-color: rgb(247, 247, 247);"/>
選擇拓?fù)浜螅瑸榱藢?shí)現(xiàn)足夠的驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間，需要考慮帶寬、時(shí)序和延遲要求。響應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)幀大小確定需要哪種支持實(shí)時(shí)通信的通信協(xié)議。通信接口的帶寬要求也會(huì)受到以下方面決定的影響：如何在分散式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、集中式和外部機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器之間拆分電機(jī)控制算法，從而最大限度地減小節(jié)點(diǎn)之間所需的通信幀大小。
通常，通信系統(tǒng)的最低帶寬要求約為 8Mbit。但是，隨著設(shè)計(jì)趨勢的發(fā)展變化，這些趨勢表明對系統(tǒng)診斷和安全功能的要求在不斷提高。
根據(jù)系統(tǒng)要求，人形機(jī)器人系統(tǒng)中通常使用的通信接口基于 CAN-FD 或以太網(wǎng)（包括 EtherCAT）。TI 提供物理層 (PHY) 收發(fā)器和嵌入式處理器，旨在支持這些通信協(xié)議。
CAN 收發(fā)器和以太網(wǎng) IC 是人形機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中使用的器件。
位置檢測
人形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須接收電機(jī)位置數(shù)據(jù)以定義路徑規(guī)劃。位置數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人受控的移動(dòng)。為了以高精度實(shí)現(xiàn)受控移動(dòng)，機(jī)器人必須配備轉(zhuǎn)子位置傳感器以在電機(jī)上捕獲信息，并能夠通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器高效地將信息傳遞到中央處理計(jì)算機(jī)。根據(jù)所需的電機(jī)精度，使用多種轉(zhuǎn)子位置傳感器。下面是一些最常用的編碼器：
· 光學(xué)編碼器
· 磁性編碼器
· 增量編碼器
· SIN/COS 旋轉(zhuǎn)變壓器
這些編碼器具有不同的接口來連接至驅(qū)動(dòng)器并提供轉(zhuǎn)子角度數(shù)據(jù)，在進(jìn)行位置控制時(shí)需要使用這些數(shù)據(jù)。這些接口需要特定的硬件，因此電機(jī)控制處理器至少需要支持以下編碼器配置之一：
· 專用串行接口，如 BiSS、Endat、Hiperface 或其他數(shù)字絕對編碼器
· 具有采樣保持功能且適用于旋轉(zhuǎn)變壓器接口的 ADC 轉(zhuǎn)換器
· 增量編碼器的正交編碼器脈沖
· 用于接合磁性編碼器的串行接口
一個(gè)電機(jī)可能需要多個(gè)編碼器，具體取決于電機(jī)和電機(jī)傳動(dòng)裝置的實(shí)現(xiàn)方式。TI 提供模擬和處理器 IC 來實(shí)現(xiàn)編碼器接口系統(tǒng)。在位置感測方法中使用了 RS-485 和 RS-422 收發(fā)器以及多軸線性和角度位置傳感器。
電機(jī)類型
由于人形機(jī)器人用電池供電，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器旨在更大限度地提高效率，從而延長機(jī)器人的工作時(shí)間范圍。
當(dāng)使用高功率級別時(shí)，人形機(jī)器人可以集成 PMSM 之類的電機(jī)。有刷直流電機(jī)可用于一些低功耗情況，例如手部控制和手指控制。但是，當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢表明，所有電機(jī)未來都將是無刷式電機(jī)。
PMSM 電機(jī)有兩種繞組選擇：梯形繞組或正弦繞組。對繞組和控制算法的選擇會(huì)影響電機(jī)控制的精確度。
電機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵要素是更快地切換 FET，這樣就可以使用能提高電機(jī)單位重量扭矩的新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
電機(jī)控制算法
選擇電機(jī)類型后，用戶可以確定控制電機(jī)的方法。實(shí)現(xiàn)控制回路有多種備選方法，但電機(jī)控制通常與圖 4 中所示類似，其中顯示了所需的模擬子系統(tǒng)和處理器外設(shè)。
圖 4：機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)通信時(shí)序需求
使用圖 4 作為通用模板，表 1 列出了在選擇算法 FOC 或阻塞換向時(shí)所需的外設(shè)和性能。
表 1：電機(jī)控制類型的外設(shè)和電路需求
TI 具有許多不同的 MCU，可滿足算法和角度傳感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和實(shí)現(xiàn)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力。在電機(jī)控制算法中使用了 C2000 實(shí)時(shí)微控制器和基于 ARM 的微控制器。
功率級要求
根據(jù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器位置，功率級別在 10W 至 4kW 之間變化，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器在 10W 至 1.5kW 之間。
驅(qū)動(dòng)器通常在低于 60V 的 SELV 電壓范圍內(nèi)工作。因此，組件必須在最高達(dá) 60V 的電壓下工作。對于放大器、FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器，為了減輕系統(tǒng)中潛在噪聲的影響，最好使用最高可在 100V 電壓下運(yùn)行的元件。在定義驅(qū)動(dòng)器的電氣規(guī)格后，還有其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
可用于實(shí)現(xiàn)印刷電路板 (PCB) 的物理尺寸是另一個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。小尺寸 IC 和高度優(yōu)化的功率密度設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)小空間設(shè)計(jì)目標(biāo)至關(guān)重要。高功率密度會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的潛在溫度限制，在該限制下機(jī)器人的外部不得高于 55°C。在 55°C 時(shí)，在 30 秒內(nèi)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方式。
溫度管理和空間的平衡促成功率級相對于單位尺寸瓦特?cái)?shù)的平衡，這會(huì)影響功率級架構(gòu)。可能需要解決的一個(gè)問題是，確定功率級是否需要在更高的頻率下工作。這一問題通常出現(xiàn)在 MosFET 中，但與基于 MosFET 的系統(tǒng)相比，GaN FET 等新技術(shù)也可提高開關(guān)性能。對于溫度敏感型系統(tǒng)，與 MOSFET 技術(shù)相比，GaN FET 具有更高的理論效率，因?yàn)槠溟_關(guān)損耗非常低。頻率的增加會(huì)導(dǎo)致 MCU 需要額外的功能，這樣才能支持以足夠高的分辨率實(shí)現(xiàn)更高頻率開關(guān)所需的信號發(fā)送。
TI MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器讓客戶能夠以盡可能高的速度開關(guān) MOSFET，而 TI 低壓 GaN FET 讓客戶能夠快速比較和考慮機(jī)器人中每個(gè)位置的最佳 FET 類型。
需要使用高性能 MosFET 或 GaN FET 來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，從而提高電機(jī)效率。精密算法有助于減少電機(jī) FET 的開關(guān)需求和損耗。
人形機(jī)器人由電池供電，供電電壓通常為 48V，或者在 39V 至 54V 之間，具體取決于電池的電量狀態(tài)。使用的電壓取決于所設(shè)定的最小電池電量級別。前面提到，驅(qū)動(dòng)器在 39V 時(shí)所需的最大功率為 4kW，可以看出，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要在大約 102Arm 的電流下以最高效率工作來提供所需的功率，但同時(shí)考慮到 0A 左右的精確測量，在這里縮短 FET 的死區(qū)時(shí)間還有利于 0A 左右電流測量的線性，讓測量在低電流下更加精確。
在評估功率級要求和選擇適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測器件以實(shí)現(xiàn)所需的性能水平時(shí)，電流檢測也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。
TI 提供同相電流感測和低側(cè)電流感應(yīng)模擬選項(xiàng)，以及有關(guān)如何高效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南。通常使用同相電流感測，以便始終能夠檢測電流并提高測量的精度。有三種不同的電流測量選項(xiàng)：
表 2：適用于同相電流測量的典型同相電流感測選項(xiàng)
對于電流感測放大器和 Δ-Σ 調(diào)制器，由于組件改進(jìn)，這些技術(shù)所用的電流電平緩慢地移動(dòng)到 100A 左右。
· 電流傳感放大器
· Δ-Σ 調(diào)制器
· 霍爾傳感器
· GaN Fet 功率級
· 柵極驅(qū)動(dòng)器
功能安全
在規(guī)劃未來的設(shè)計(jì)時(shí)，選擇能夠簡化功能安全認(rèn)證的器件非常重要。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 標(biāo)準(zhǔn)闡明了未來對人形機(jī)器人的預(yù)期。兩種 C 類標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10218 和 ISO 3691-4）都參考了 ISO 13849，規(guī)定系統(tǒng)必須是 PLd。但是，ISO 3691-4 將架構(gòu)交給實(shí)現(xiàn)者來確定，而 ISO 10218 則要求 CAT3 架構(gòu)。考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)中的最糟糕情況，至少需要考慮人形機(jī)器人的 CAT3 PLD 安全注意事項(xiàng)。實(shí)現(xiàn) CAT3 系統(tǒng)時(shí)，必須采用圖 5 所示的安全架構(gòu)。
圖 5：IEC13849-1:2015 中的插圖 圖 10
TI 提供的很多器件都具有詳盡的安全文檔，能夠幫助客戶構(gòu)建安全型系統(tǒng)。
示例系統(tǒng)
圖 6 中的框圖顯示了建議解決方案，以使用 TI 組件解決 1.5kW 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，下面示出了具體可以使用的元件。
圖 6：示出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可能所需器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案
有關(guān)更多器件信息，請參考以下 TI 設(shè)計(jì)和 EVM，以查看系統(tǒng)級性能結(jié)果：
· TIDA-010936
· TIDA-010956
· LAUNCHXL-F28P65X
· DP83TC812-IND-SPE-EVM
· TIDA-060040
總結(jié)
設(shè)計(jì)人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要精準(zhǔn)、靈活和創(chuàng)新。德州儀器 (TI) 提供了全面的集成電路產(chǎn)品系列，讓工程師能夠滿足各種設(shè)計(jì)規(guī)格，從而構(gòu)建能夠與機(jī)器人環(huán)境順暢交互的機(jī)器人。憑借豐富的評估模塊、參考設(shè)計(jì)和符合安全標(biāo)準(zhǔn)的器件，TI 簡化了開發(fā)流程，有助于縮短上市時(shí)間并安心地獲得功能安全認(rèn)證。與 TI 攜手，打造更智能、更快速、更安全的機(jī)器人，讓您的愿景變成現(xiàn)實(shí)。
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