協(xié)作與工業(yè)機械臂中的 電流檢測

引言
協(xié)作機器人和工業(yè)機器人是推動實現(xiàn)工廠自動化并提高工廠效率和吞吐量的主導(dǎo)機器人技術(shù)。工廠通過實施這些半自動化和全自動化技術(shù)，能夠以更快的速度構(gòu)建終端產(chǎn)品，以便滿足客戶需求。

協(xié)作機器人
協(xié)作機器人作為人工輔助機器人，通常只能通過人機交互方式工作。這些機器人可幫助人們抬起 6kg 至 25kg 及更重的有效載荷，從而幫助人們減輕疲勞，同時提高生產(chǎn)速度。協(xié)作機器人通常在低于 80V 的電壓下工作，由于進行直接的人機交互，大多數(shù)系統(tǒng)在 48V 至 50V 的電壓范圍內(nèi)運行。這些系統(tǒng)有時是隔離的，具體要求取決于系統(tǒng)設(shè)計。這些系統(tǒng)的典型電流范圍為 10A 至 30A，具體取決于電路節(jié)點。協(xié)作機器人中的電流檢測通常用于軸內(nèi)的電機控制，該電流檢測是使用一個器件監(jiān)測電機的同相電流，如圖 1 所示。

圖 1. 協(xié)作機器人和工業(yè)機器人中的電機電流檢測方法

精確的相電流檢測在電機控制中至關(guān)重要。電流檢測不精確會導(dǎo)致產(chǎn)生大的扭矩紋波和可聞噪聲，并且效率低下。表 1 中介紹了三種電機電流檢測方法及其各自的優(yōu)勢與不足。由于信號測量具有連續(xù)性并與相電流直接相關(guān)，因此測量電機電流的理想位置即為各個相位。內(nèi)嵌式電流檢測面臨著每個電機相位都要經(jīng)歷共模電壓轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。在轉(zhuǎn)換過程中，共模電壓將在極短時間內(nèi)于不同的高電壓電平之間進行切換。在其他位置（如每個相位的低邊）測量電流需先對數(shù)據(jù)進行重新組合和處理，以便為控制算法提供有意義的數(shù)據(jù)。

表 1. H 橋中的電流檢測

協(xié)作機器人中的布板空間非常受限，因此需要一款小尺寸器件。鑒于通常不需要隔離，INA241A 等器件非常適合內(nèi)嵌式電流檢測應(yīng)用。原因在于 INA241A 可提供高 CMRR 和增強型 PWM 抑制，從而更大程度地減小協(xié)作機器人開關(guān)系統(tǒng)中的誤差。INA241A 采用帶引線的小型 SOT-23 (DDF) 8 引腳封裝，尺寸為 2.95mm × 2.95mm(8.70mm2)。如果應(yīng)用確實需要隔離，則使用可提供高達 100V 功能隔離的 TMCS1108（霍爾效應(yīng)電流傳感器）等器件。

工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是汽車工廠和其他制造工廠中拾取和放置大型產(chǎn)品時用于抬舉重物的大型機器人。工業(yè)機器人無需人機交互即可移動非常大的物體，并且操作方式可控性高，因此可幫助制造商提高安全性。工業(yè)機器人通常在電壓電平介于 400V 至 600V 之間的交流域中運行，這是大型制造工廠中常用的交流電壓電平。電流電平通常介于 35A至 250A 之間，具體取決于機器人在工廠內(nèi)所移動的物體。電流檢測通常在機器人附近的機柜內(nèi)進行，因此在這些系統(tǒng)中，空間不是問題。通常，電流監(jiān)測與電機控制機器人的相位相同。鑒于工業(yè)系統(tǒng)中存在高電壓，通常需要通過隔離來分隔對低壓電路系統(tǒng)和人類都有危險的高電壓電平。如今，電流檢測通常通過霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如 TMCS1123）或隔離式放大器（例如 AMC1306）來完成。

工業(yè)機器人中需要進行電流檢測的另一個常見位置是線圈驅(qū)動器制動器釋放單元。線圈驅(qū)動器用于在移動接頭的電機停止后釋放制動摩擦片，或在發(fā)生緊急事件的情況下提供動態(tài)停止。線圈驅(qū)動器中的磁場使兩個由彈簧承載的摩擦片彼此遠離，以便轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動。當(dāng)電流停止流動時，在承載彈簧的作用下，兩個制動摩擦片相互擠壓，使轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。圖 2 展示了制動器釋放單元線圈驅(qū)動器中使用的低側(cè)電流檢測。低邊電流檢測可選擇的電流檢測器件較多，但由于線圈的電感特性，電流檢測放大器的輸入在開關(guān)期間可能會受到負電壓的影響。在這種情況下，電流檢測器件需要能夠承受負輸入電壓。

圖 2. 制動器釋放單元線圈驅(qū)動器中的低邊電流檢測

結(jié)論

總之，協(xié)作機器人和工業(yè)機器人通常都使用電流檢測來監(jiān)測各種機器人中電機的同相電流。主要區(qū)別在于隔離需求、功率級別和機器人的抬舉重量，因此對電流檢測器件的要求有所不同。工業(yè)機器人需要在線圈驅(qū)動器中進行電流檢測，以便制動和停止電機。協(xié)作機器人通常不需要隔離，功率級別不超過 2.0kW，通常抬舉的有效載荷為6kg 到 25kg。雖然工業(yè)機器人通常需要隔離，但其功率級別可低至 3kW，也可高達并超過 125kW，并且可以抬舉 20kg 至幾千千克的重物。

備選器件建議

INA241B 是一款高精度模擬電流檢測放大器。INA241B 可用于高壓雙向應(yīng)用，配置有 1.1MHz 帶寬，從而在 H 橋應(yīng)用內(nèi)提供快速響應(yīng)時間和精密的內(nèi)嵌式控制。INA241B 可在 –5V 至 110V 的共模電壓下測量電流，并可承受–20V 至 120V 的電壓，因此 INA241B 適用于很多系統(tǒng)。

INA253 或 INA254 器件是超精密電流檢測放大器，具有集成式低電感、小于 15ppm/°C 的溫漂，并分別具有2mΩ 或 400μΩ 精密分流電阻以及 0.1% 或 0.5% 的精度。INA253 限于在 TA = 85°C 時需要小于 ±15A 連續(xù)電流的應(yīng)用，而INA254 限于在 TA = 85°C 時需要小于 ±50A 連續(xù)電流的應(yīng)用。INA253 和 INA254 集成式分流電阻在內(nèi)部通過開爾文連接方式連接到 INA240 放大器。INA253 或 INA254 提供了 INA240 放大器的性能優(yōu)勢，并具有精密分流電阻，可實現(xiàn)小于 0.2% 或小于 0.5% 的未校準總系統(tǒng)增益精度。

INA281 可用于高電壓應(yīng)用，例如電機中的高邊電流檢測。INA281 可在 –4V 至 110V 的共模電壓下測量電流并承受 –20V 至 120V 的電壓，因此適用于電壓具有負擺幅的各種應(yīng)用。

可選擇使用 INA381 進行低邊檢測。該器件是一款成本優(yōu)化型電流檢測放大器，具有集成比較器，可減小 PCB 尺
寸并簡化設(shè)計。

表 2. 備選器件建議

表 3. 相關(guān)的 TI 應(yīng)用簡報