安森美：电源与电机控制方案如何更好应用于自主移动机器人

发布时间：2023-09-06 09:15
作者：AMEYA360
来源：网络
阅读量：1822

　　自主移动机器人 (AMR) 为不同领域和行业带来了诸多优势，包括提高了安全性和效率。然而，为了能够安全、独立地工作，这些复杂的系统需要精心集成多项技术。在开发 AMR 时，设计阶段在很大程度上决定了 AMR 成功与否，因此至关重要。本博客详细讨论了 AMR 的两个重要组件——电源和运动控制的设计注意事项，以及安森美(onsemi)提供的相应解决方案。

安森美：电源与电机控制方案如何更好应用于自主移动机器人

　　为 AMR 供电

　　自主移动机器人中使用的电源系统和电源组件会对其总电池寿命和工作时长产生重大影响。为 AMR 设计电源系统时要考虑的重要性能特征和参数包括：

　　*能量密度

　　*电压和电流要求

　　*效率

　　*方案尺寸

　　AMR 通常使用锂离子电池，因为此类电池的能量密度高，使用时间长。同时，电源管理单元可调节从电池到其他组件的功率流。电压和电流水平通过开关转换器和稳压器进行控制。AMR 中的电池管理系统可监控电池的状态、电量、温度和电流，以确保 AMR 安全高效地运行，而车载电池充电器的规格取决于电池类型、容量和电压。智能电源模块为电机控制系统提供高功率开关。IPM 中的功率开关配有栅极驱动器，用于提供相应的信号来打开和关闭开关。功率因数校正 (PFC) 控制器可提升电源系统的总效率。安森美的 PFC 控制器非常适合 AC-DC 电源应用，比如图腾柱无桥 PFC 前端或基于 LLC 谐振拓扑的 DC-DC 级。它们还适用于高电压 DC-DC 功率级，可在 AMR 中实现高效率和高密度快速电池充电器设计。

　　AMR 执行器的电机设计

　　在 AMR 中，电机驱动型执行器用于移动机器手臂和轮子，因此其选择至关重要。AMR 需要采用效率高且紧凑轻便的高扭矩和高速执行器。选择执行器时，需要对无刷直流 (BLDC) 电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和栅极驱动器等组件进行评估。

　　与有刷电机相比，BLDC 电机具有多个优势。其效率高、噪声低且高度可靠，可以减少维护工作，因此被应用于 AMR 中。然而，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器。三相 BLDC 电机广泛用于机器人和工业驱动器。

　　电机控制器的功能是精确控制 AMR 执行器中的电机。这些器件可完全集成(通过嵌入式控制算法)，或者可使用运行电机控制算法的专用微控制器单元 (MCU)。(AMR 中常见的)三相电机由功率晶体管使用脉宽调制 (PWM) 开-关信号驱动，这些开关可由硅或宽禁带材料制成，比如碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN)。安森美提供多个 BLDC 电机控制解决方案，包括 ECS640A ecoSpin™ 电机控制器 UCB、NCP81075 栅极驱动器，以及可用于加速 AMR 执行器开发的电源板。

　　UCB 是基于 Xilinx® Zynq®-7000 SoC 的系统级模块 (SoM)，非常适合精密应用，也可用于先进的人工智能 (AI) 。此外，安森美提供基于屏蔽栅极沟槽技术的 MOSFET(30V 至 150V)，并提供 u8FL、SO8-FL、双面冷却和顶部冷却等封装选项。基于 T10 技术的全新 30-40V 和 80V MOSFET 支持低压与中压应用。T10 器件分为两大类别，分别用于电源转换和电机控制。用于电机控制的 T10M 器件提供出色的导通电阻，UIS 能力提高 10%，并具有优异的体二极管软恢复性能，可降低电压尖峰并解决 EMI 问题。对于高功率应用中的三相 BLDC 电机，安森美推荐使用基于 PTNG 技术的 MOSFET(80V、100V、120V和150V)，而 NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC 和 NTBLS4D3N15MC MOSFET 可满足高性能应用的要求。

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　　先进科技正飞速发展，电化学传感器的应用也越来越广泛，其重要性与日俱增。在医疗、环境科学、工业材料及食品加工等众多不同领域，对化学物质进行量化分析可以有效改进安全性、效率，并提高对化学成分的认知水平。将传感功能与低功耗模拟前端 (AFE) 器件和 Bluetooth® Low Energy(蓝牙低功耗)技术相结合，可以进一步增强传感方案的有效性。　　互连电化学传感器的潜力巨大，有望提高科学认知，并改善我们的生活质量。在当今世界，传感器方案无处不在，比如用于监测糖尿病患者血糖水平的可穿戴设备、可评估环境污染物的气体探测器、用于提高食品安全的组胺传感器，以及工业环境中不可或缺的恒电位仪或腐蚀传感器。　　电化学传感器的典型组成　　在电子工程中，电化学传感器的典型设置包含了三电极系统(图 2)。　　传感器的核心包括工作电极、对电极和参比电极三个部分(见图 2)。工作电极 (WE) 是发生电化学反应的元件，可引发电子流动并产生电流。对电极 (CE) 用于平衡 WE 的氧化还原反应，以实现准确传感;而参比电极 (RE) 则用于测量 WE 电位，并为 CE 电压提供反馈。　　最后，WE 产生的电流转换成电压。借助额外的数字处理和无线通信技术，我们可以构建更强大的互联方案，助您深入了解周围的环境以及自己的身体。　　电化学传感器可广泛应用于医疗、食品监测领域　　电化学传感器对于许多远程患者监护应用非常关键。就比如糖尿病，这是一种慢性疾病，全球每 11 人中就有 1 人罹患糖尿病，而连续性血糖监测 (CGM) 是糖尿病管理的重要组成部分。预计 2023 年至 2032 年期间，CGM 设备市场将以 9% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。　　在空气污染/空气质量测量等环境检测应用中，常常使用电化学传感器来检测一氧化碳、硫化氢、氮氧化物和硫氧化物等气体。在食品生产领域，工厂利用手持便携式设备和大型自动化电化学检测方案来保障食品生产，确保食品美味可口，并且无过敏原和有害化学成分。　　AFE 器件与电化学传感器配合使用可实现准确测量，这既能保障顺利推进医疗和工业流程，而且有助于增进科学知识。例如，可穿戴或便携式医疗设备可以持续远程监测血糖水平，为研究人员带来珍贵的洞察信息，从而加速创新发展，造福全球人民。　　安森美的电化学测量方案　　安森美近期发布了 CEM102，这是一款先进的微型 AFE，可高精度测量电化学信息和安培电流。CEM102 设计为与 RSL15 蓝牙 5.2 认证无线微控制器配合使用，后者采用安全的蓝牙低功耗技术，功耗非常低。二者的结合让设计人员能够为传感应用开发出精度更高、功耗更低、外形更紧凑的设备。　　与单独的方案相比，安森美的 CEM102+RSL15 组合方案精度更高、噪声更小且功耗更低。组合方案能简化物料单 (BoM) 并提高配置灵活性，最终释放更多开发资源。更重要的是，该方案的灵活性使其不仅适用于基于电化学测量的传感器，还能用于需准确测量小电流的多种传感器。　　CEM102+RSL15 平台支持 1.3 V - 1.65 V 和 2.375 V - 3.6V 两种电池选择。在主动测量模式和 18 位 ADC 连续转换下，该平台仅消耗 3.5 uA 电流。也就是说，仅需使用 3 mAh 电池便能长效续航达 14 天，市场表现十分优异。　　凭借 1.884×1.848 mm 的紧凑封装及能够使用 1 至 4 个电极进行操作的特性，它有助于打造尺寸更小、效率更高的可穿戴医疗监护方案，进一步改善用户体验。　　为了简化开发工作，CEM102+RSL15 平台提供先进的硬件、广泛的开发支持、固件、软件和 IOS、Android™ 演示应用，便于跨多个传感器进行持续监测(图 4)。　　各种准确检测和测量化学电流的技术为新的科学进步打开了大门。凭借小巧外形和超低功耗，这个组合方案可进一步缩小所有终端应用的尺寸并延长其电池续航时间。CEM102 和 RSL15 平台提供的方案可帮助工程师为医疗监护等应用领域打造外形紧凑、性能灵活且价格合理的互联产品。比如血糖监测相关设备，从而帮助病患有效调节血糖、降低糖尿病相关风险并更好地融入我们的生活。　　电化学传感器广泛应用于医疗、环境监测和工业安全领域，在促进社会发展的过程中发挥着至关重要的作用。这项技术的潜力远远超出了目前的应用范围，安森美的这样的尖端平台也必将能大幅推动科学研究发展，进一步发掘出更多崭新应用场景。
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