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)機器人是推動實現工廠自動化并提高工廠效率和吞吐量的主導機器人技術。工廠通過實施這些半自動化和全自動化技術，能夠以更快的速度構建終端產品，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，大多數系統(tǒng)在 48V 至 50V 的電壓范圍內運行。這些系統(tǒng)有時是隔離的，具體要求取決于系統(tǒng)設計。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重要。電流檢測不精確會導致產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，因此測量電機電流的理想位置即為各個相位。內嵌式電流檢測面臨著每個電機相位都要經歷共模電壓轉換的挑戰(zhàn)。在轉換過程中，共模電壓將在極短時間內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）測量電流需先對數據進行重新組合和處理，以便為控制算法提供有意義的數據。

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 等器件非常適合內嵌式電流檢測應用。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所移動的物體。電流檢測通常在機器人附近的機柜內進行，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動器制動器釋放單元。線圈驅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，以便轉子可以自由轉動。當電流停止流動時，在承載彈簧的作用下，兩個制動摩擦片相互擠壓，使轉子停止轉動。圖 2 展示了制動器釋放單元線圈驅動器中使用的低側電流檢測。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動器中的低邊電流檢測

結論

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 可用于高壓雙向應用，配置有 1.1MHz 帶寬，從而在 H 橋應用內提供快速響應時間和精密的內嵌式控制。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)電流的應用，而INA254 限于在 TA = 85°C 時需要小于 ±50A 連續(xù)電流的應用。INA253 和 INA254 集成式分流電阻在內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
寸并簡化設計。

表 2. 備選器件建議

表 3. 相關的 TI 應用簡報