【導讀】自主移動機器人 (AMR) 為不同領域和行業帶來了諸多優勢，包括提高了安全性和效率。然而，為了能夠安全、獨立地工作，這些復雜的系統需要精心集成多項技術。在開發 AMR 時，設計階段在很大程度上決定了 AMR 成功與否，因此至關重要。本博客詳細討論了 AMR 的兩個重要組件——電源和運動控制的設計注意事項，以及安森美(onsemi)提供的相應解決方案。
圖 1：安森美自主移動機器人演示
為 AMR 供電
自主移動機器人中使用的電源系統和電源組件會對其總電池壽命和工作時長產生重大影響。為 AMR 設計電源系統時要考慮的重要性能特征和參數包括：
● 能量密度
● 電壓和電流要求
● 效率
● 方案尺寸
AMR 通常使用鋰離子電池，因為此類電池的能量密度高，使用時間長。同時，電源管理單元可調節從電池到其他組件的功率流。電壓和電流水平通過開關轉換器和穩壓器進行控制。AMR 中的電池管理系統可監控電池的狀態、電量、溫度和電流，以確保 AMR 安全高效地運行，而車載電池充電器的規格取決于電池類型、容量和電壓。智能電源模塊為電機控制系統提供高功率開關。IPM 中的功率開關配有柵極驅動器，用于提供相應的信號來打開和關閉開關。功率因數校正 (PFC) 控制器可提升電源系統的總效率。安森美的 PFC 控制器非常適合 AC-DC 電源應用，比如圖騰柱無橋 PFC 前端或基于 LLC 諧振拓撲的 DC-DC 級。它們還適用于高電壓 DC-DC 功率級，可在 AMR 中實現高效率和高密度快速電池充電器設計。
圖 2：AMR 電源解決方案
AMR 執行器的電機設計
在 AMR 中，電機驅動型執行器用于移動機器手臂和輪子，因此其選擇至關重要。AMR 需要采用效率高且緊湊輕便的高扭矩和高速執行器。選擇執行器時，需要對無刷直流 (BLDC) 電機、電機控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和柵極驅動器等組件進行評估。
與有刷電機相比，BLDC 電機具有多個優勢。其效率高、噪聲低且高度可靠，可以減少維護工作，因此被應用于 AMR 中。然而，控制此類電機需要復雜的算法和適當的驅動器。三相 BLDC 電機廣泛用于機器人和工業驅動器。
圖 3：AMR BLDC 電機控制解決方案
電機控制器的功能是精確控制 AMR 執行器中的電機。這些器件可完全集成（通過嵌入式控制算法）；或者，可使用運行電機控制算法的專用微控制器單元 (MCU)。（AMR 中常見的）三相電機由功率晶體管使用脈寬調制 (PWM) 開-關信號驅動。這些開關可由硅或寬禁帶材料制成，比如碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN)。安森美提供多個 BLDC 電機控制解決方案，包括ECS640A ecoSpin? 電機控制器 UCB、NCP81075柵極驅動器，以及可用于加速 AMR 執行器開發的電源板。
UCB 是基于 Xilinx? Zynq?-7000 SoC 的系統級模塊 (SoM)，非常適合精密應用，也可用于先進的人工智能 (AI) 。此外，安森美提供基于屏蔽柵極溝槽技術的 MOSFET（30V 至 150V），并提供 u8FL、SO8-FL、雙面冷卻和頂部冷卻等封裝選項。基于 T10 技術的全新 30-40V 和 80V MOSFET 支持低壓與中壓應用。T10 器件分為兩大類別，分別用于電源轉換和電機控制。用于電機控制的 T10M 器件提供出色的導通電阻，UIS 能力提高 10%，并具有優異的體二極管軟恢復性能，可降低電壓尖峰并解決 EMI 問題。對于高功率應用中的三相 BLDC 電機，安森美推薦使用基于 PTNG 技術的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），而 NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC 和 NTBLS4D3N15MC MOSFET 可滿足高性能應用的要求。
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要打造靈活而智能的自主移動機器人，電源和運動控制技術發揮的作用很關鍵。隨著時間推移，單個系統和組件的選擇可對這些先進方案的性能與可靠性產生顯著影響。安森美可以全力支持設計人員完成選擇過程，確保 AMR 能夠充分發揮其潛能。欲了解有關 AMR 的更多信息，請下載我們的白皮書：“自主移動機器人的解決方案和注意事項”。
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