协作机器人到类人机器人将系统效率和安全性融入更大功率的机器人中

作者：德州仪器

随着制造业的自动化程度不断提高，以及消费者在家中安装这些自动化系统，机器人市场将继续增长。公司纷纷开始在其工厂和仓库中实现制造系统的自动化，并适应未来机器人与人类进行更多互动的情形。

制造机器人的设计工程师了解，有数百种不同类型的机器人系统。如图 1 所示，机器人种类繁多，从功率只有几瓦的小型辅助机器人到自主移动机器人、类人机器人以及功率高达 4kW 及更高的重型工业机器人。


图 1. 协作机器人、移动机器人、类人机器人和工业机器人有各种形状和尺寸，功率级别范围为 10W 至 ≥4kW

机器人制造商在开发高级系统时面临几项设计挑战。上述机器人应用通常使用 48V 电压轨并支持 2kg 至 40kg 的有效载荷。在设计更高负载时，工程师必须同时考虑机械和设计影响，以适应更高的功率级别。较高的电流可能会因电磁干扰 (EMI) 或开关损耗过高而导致系统性能低下。功能安全也是一个重要因素，因为机器人经常在有人类存在的环境中使用。无论是在生产车间还是在消费者的家中，设计能够在必要时安全关闭的系统都非常重要。

借助 TI DRV8162 等智能单半桥栅极驱动器，您可以灵活地创建能够承受大功率和电压范围，同时降低 EMI 并符合功能安全标准的集成系统。

面向各种功率级别的设计

我们的智能栅极驱动器采用 TI 的 IDRIVE 可调栅极驱动电流方案，可在多个级别的栅极电流中控制 MOSFET 压摆率。DRV8162 具有 16 种可调的粒度设置（如图 2 所示），可控制何时选择 MOSFET 和终端应用。有关 IDRIVE 的更多详细信息，请阅读了解智能栅极驱动。


图 2. DRV8162 的 16 个 IDRIVE 设置和可编程的拉电流/灌电流比可省去外部无源器件并简化设计

使用方程式 1，您可以通过 MOSFET 的栅漏电荷 (Qgd) 规格以及 MOSFET 漏极和源极之间最大电压的上升和下降时间，估算出哪个 IDRIVE 设置更适合您的系统。这些值根据您的系统性能要求而变化。

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的栅极驱动设置，您将需要额外的无源器件（包括栅极电阻器）来实现所需的栅极电流。这些额外元件增加了总体物料清单成本，并增加了印刷电路板 (PCB) 的尺寸，这可能会对协作机器人、移动机器人和类人关节中的小型设计造成影响。

使用同类半桥栅极驱动器时，需要使用外部栅极电阻器，因为它们仅提供固定电流或两到四个分立式设置。DRV8162 驱动器中的 16 种栅极驱动设置和可编程拉/灌比率让您可以灵活地移除外部无源器件并简化设计。

宽 Qgd 支持使您可以在具有不同 MOSFET 的各种低功率、率和高功率机器人平台上使用驱动器，而无需更改每个系统中的栅极驱动器设计。DRV8162 的栅极拉电流和灌电流可分别设置为低至 16mA 和 32mA，最高可达 1024mA 和 2048mA。例如，48V 系统中的 1V/ns 压摆率可用于计算 48ns Trise/Tfall。这会产生该器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范围。

提高系统性能

与三相集成式栅极驱动器相比，DRV8162 的单半桥架构使其能够更靠近 FET。图 3 展示了两种圆形 PCB 设计，其中比较了三相与单相半桥实现。


图 3. 采用三相栅极驱动器实现方案的圆形 PCB 设计，左侧是 MCU、驱动器和 FET，右侧是单个半桥设计

将栅极驱动器放置在更靠近 FET 的位置可缩短布线长度，提高信号完整性，并减少栅极和源极节点上的寄生效应。更短的路径还有助于降低布线电感的影响，从而降低振铃和 EMI。

此外，DRV8162 有助于通过 20ns 的死区时间改善系统效率和声学性能，还有助于扩大工作脉宽调制占空比范围，从而扩大速度范围，同时提高电机的可用电压。更短的死区时间还可以更大限度减少二极管导通损耗，提高系统效率，并减少电机电流失真，从而降低可闻噪声。这些效果可提高系统的整体性能和效率。

机器人中的 STO

许多机器人与人类并肩作战，因此在发生电源故障、电涌或短路时关闭系统至关重要。在器件扭矩无法预测的情况下，电机驱动应用出现故障可能会导致危险情况。由于一些机械在涉及重负载的工业环境中运行，因此必须能够安全关闭并防止意外启动。

国际电工委员会 (IEC) 61800-5-2 标准定义了电路设计中被称为安全扭矩关断 (STO) 的安全功能，该功能可防止向电机供电。DRV8162 和 TI 的 DRV8162L 采用了分离电源架构，可帮助您在系统中实施 STO。

在更高功率的设计中，工程师可以参考适用于集成电机驱动器的 48V、4kW 小型三相逆变器参考设计 (TIDA-010956)，该设计采用了具有 48VDC 输入电压和 85ARMS 输出电流的 DRV8162L。如图 4 所示，该设计包含建议的 STO 概念、并联 FET、高功率和单个半桥栅极驱动器。


图 4. TI 的三相逆变器参考设计 (TIDA-010956)

结语

机器人的现有电机设计采用分立式实现来满足安全要求，这会增加电路板尺寸和物料清单数量。为了提高各种形状和尺寸的机器人的效率和安全性，需要使用 DRV8162 这类更小、更安全的集成式栅极驱动器。新款智能单半桥栅极驱动器助力设计人员将功率从 10W 扩展到 4kW 及更高，同时缩小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供灵活性，从而在未来多年内加速机器人创新。

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