如何將系統(tǒng)效率和安全性融入更大功率的機(jī)器人中

隨著制造業(yè)的自動(dòng)化程度不斷提高，以及消費(fèi)者在家中安裝這些自動(dòng)化系統(tǒng)，機(jī)器人市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)。公司紛紛開始在其工廠和倉(cāng)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的自動(dòng)化，并適應(yīng)未來(lái)機(jī)器人與人類進(jìn)行更多互動(dòng)的情形。

制造機(jī)器人的設(shè)計(jì)工程師了解，有數(shù)百種不同類型的機(jī)器人系統(tǒng)。如圖 1 所示，機(jī)器人種類繁多，從功率只有幾瓦的小型輔助機(jī)器人到自主移動(dòng)機(jī)器人、類人機(jī)器人以及功率高達(dá) 4kW 及更高的重型工業(yè)機(jī)器人。

圖 1. 協(xié)作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、類人機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人有各種形狀和尺寸,功率級(jí)別范圍為 10W 至 ≥4kW

機(jī)器人制造商在開發(fā)高級(jí)系統(tǒng)時(shí)面臨幾項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。上述機(jī)器人應(yīng)用通常使用 48V 電壓軌并支持 2kg 至 40kg 的有效載荷。在設(shè)計(jì)更高負(fù)載時(shí)，工程師必須同時(shí)考慮機(jī)械和設(shè)計(jì)影響，以適應(yīng)更高的功率級(jí)別。較高的電流可能會(huì)因電磁干擾 (EMI) 或開關(guān)損耗過(guò)高而導(dǎo)致系統(tǒng)性能低下。功能安全也是一個(gè)重要因素，因?yàn)闄C(jī)器人經(jīng)常在有人類存在的環(huán)境中使用。無(wú)論是在生產(chǎn)車間還是在消費(fèi)者的家中，設(shè)計(jì)能夠在必要時(shí)安全關(guān)閉的系統(tǒng)都非常重要。

借助 TI DRV8162 等智能單半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，您可以靈活地創(chuàng)建能夠承受大功率和電壓范圍，同時(shí)降低 EMI 并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的集成系統(tǒng)。

面向各種功率級(jí)別的設(shè)計(jì)

我們的智能柵極驅(qū)動(dòng)器采用 TI 的 IDRIVE 可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)電流方案，可在多個(gè)級(jí)別的柵極電流中控制 MOSFET 壓擺率。DRV8162 具有 16 種可調(diào)的粒度設(shè)置（如圖 2 所示），可控制何時(shí)選擇 MOSFET 和終端應(yīng)用。有關(guān) IDRIVE 的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)閱讀了解智能柵極驅(qū)動(dòng)。

圖 2. DRV8162 的 16 個(gè) IDRIVE 設(shè)置和可編程的拉電流/灌電流比可省去外部無(wú)源器件并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

使用方程式 1，您可以通過(guò) MOSFET 的柵漏電荷 (Qgd) 規(guī)格以及 MOSFET 漏極和源極之間最大電壓的上升和下降時(shí)間，估算出哪個(gè) IDRIVE 設(shè)置更適合您的系統(tǒng)。這些值根據(jù)您的系統(tǒng)性能要求而變化。

方程式 1

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)置，您將需要額外的無(wú)源器件（包括柵極電阻器）來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的柵極電流。這些額外元件增加了總體物料清單成本，并增加了印刷電路板 (PCB) 的尺寸，這可能會(huì)對(duì)協(xié)作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人和類人關(guān)節(jié)中的小型設(shè)計(jì)造成影響。

使用同類半橋柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要使用外部柵極電阻器，因?yàn)樗鼈儍H提供固定電流或兩到四個(gè)分立式設(shè)置。DRV8162 驅(qū)動(dòng)器中的 16 種柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)置和可編程拉/灌比率讓您可以靈活地移除外部無(wú)源器件并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

寬 Qgd 支持使您可以在具有不同 MOSFET 的各種低功率、中功率和高功率機(jī)器人平臺(tái)上使用驅(qū)動(dòng)器，而無(wú)需更改每個(gè)系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。DRV8162 的柵極拉電流和灌電流可分別設(shè)置為低至 16mA 和 32mA，最高可達(dá) 1024mA 和 2048mA。例如，48V 系統(tǒng)中的 1V/ns 壓擺率可用于計(jì)算 48ns Trise/Tfall。這會(huì)產(chǎn)生該器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范圍。

提高系統(tǒng)性能

與三相集成式柵極驅(qū)動(dòng)器相比，DRV8162 的單半橋架構(gòu)使其能夠更靠近 FET。圖 3 展示了兩種圓形 PCB 設(shè)計(jì)，其中比較了三相與單相半橋?qū)崿F(xiàn)。

圖 3. 采用三相柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方案的圓形 PCB 設(shè)計(jì),左側(cè)是 MCU、驅(qū)動(dòng)器和 FET，右側(cè)是單個(gè)半橋設(shè)計(jì)

將柵極驅(qū)動(dòng)器放置在更靠近 FET 的位置可縮短布線長(zhǎng)度，提高信號(hào)完整性，并減少柵極和源極節(jié)點(diǎn)上的寄生效應(yīng)。更短的路徑還有助于降低布線電感的影響，從而降低振鈴和 EMI。

此外，DRV8162 有助于通過(guò) 20ns 的死區(qū)時(shí)間改善系統(tǒng)效率和聲學(xué)性能，還有助于擴(kuò)大工作脈寬調(diào)制占空比范圍，從而擴(kuò)大速度范圍，同時(shí)提高電機(jī)的可用電壓。更短的死區(qū)時(shí)間還可以更大限度減少二極管導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率，并減少電機(jī)電流失真，從而降低可聞噪聲。這些效果可提高系統(tǒng)的整體性能和效率。

機(jī)器人中的 STO

許多機(jī)器人與人類并肩作戰(zhàn)，因此在發(fā)生電源故障、電涌或短路時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)至關(guān)重要。在器件扭矩?zé)o法預(yù)測(cè)的情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用出現(xiàn)故障可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)情況。由于一些機(jī)械在涉及重負(fù)載的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，因此必須能夠安全關(guān)閉并防止意外啟動(dòng)。

國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 61800-5-2 標(biāo)準(zhǔn)定義了電路設(shè)計(jì)中被稱為安全扭矩關(guān)斷 (STO) 的安全功能，該功能可防止向電機(jī)供電。DRV8162 和 TI 的 DRV8162L 采用了分離電源架構(gòu)，可幫助您在系統(tǒng)中實(shí)施 STO。

在更高功率的設(shè)計(jì)中，工程師可以參考適用于集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 48V、4kW 小型三相逆變器參考設(shè)計(jì) (TIDA-010956)，該設(shè)計(jì)采用了具有 48VDC 輸入電壓和 85ARMS 輸出電流的 DRV8162L。如圖 4 所示，該設(shè)計(jì)包含建議的 STO 概念、并聯(lián) FET、高功率和單個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖 4. TI 的三相逆變器參考設(shè)計(jì) (TIDA-010956)

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人的現(xiàn)有電機(jī)設(shè)計(jì)采用分立式實(shí)現(xiàn)來(lái)滿足安全要求，這會(huì)增加電路板尺寸和物料清單數(shù)量。為了提高各種形狀和尺寸的機(jī)器人的效率和安全性，需要使用 DRV8162 這類更小、更安全的集成式柵極驅(qū)動(dòng)器。新款智能單半橋柵極驅(qū)動(dòng)器助力設(shè)計(jì)人員將功率從 10W 擴(kuò)展到 4kW 及更高，同時(shí)縮小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供靈活性，從而在未來(lái)多年內(nèi)加速機(jī)器人創(chuàng)新。