機器人精度大升級！先進的電流和電壓檢測技術如何助力更精確電機控制？

想象一個類人機器人嘗試穿針引線，或者一個協作機器人 (cobot) 在食品加工廠中處理易碎品。極輕微的計算錯誤也會導致它們無法實現目標。

機器人離不開精度。電流和電壓檢測技術的進步可顯著提高機器人處理復雜任務的能力，同時加快轉矩響應速度，從而實現更平滑的類人型運動。功能隔離式轉換器讓機器人在更小的設計中實現更精確的電機控制，從而使它們更智能、更安全和更高效。

隨著低于 60V 的自主移動機器人和類人機器人等機器人承擔越來越復雜的角色，它們需要運行更長時間并具有更高的電源效率。精確的電流和電壓檢測測量直接對精度和快速轉矩響應時間產生影響，進而使機器人能夠更快、更精確地到達其目前位置和方向。在實現安全導航和執行突發任務（例如對負載或環境條件的變化做出反應）時，納秒級時間至關重要。這些測量結果為機器人的控制系統提供實時數據，使機器人能夠即時調整其動作并在執行任務期間保持精度。圖 1 顯示了電流和電壓檢測精度如何幫助機器人提高準確性。

圖 1：電流和電壓檢測精度會影響精密機器人執行任務的方式

需要提高傳感能力

盡管電壓和電流檢測解決方案可以為當今的機器人系統帶來諸多益處，但要實現更高性能的感應，仍有許多挑戰需要攻克。一個普遍的難題是如何針對提供給電機的電流和電壓執行精確的低噪聲測量。在目前的機器人系統中，三相逆變器以低電流或低電壓電平運行，并產生瞬態噪聲，可能會干擾現有非隔離式傳感器測量的精度。

在設計具有精細運動技能的機器人時，較慢的轉矩響應和較不精確的運動可能會帶來巨大的挑戰，而執行復雜任務正需要以非常平滑且可控的方式實施這些技能。

設計工程師面臨的另一個挑戰是許多機器人（包括移動機器人）都由電池供電，因此很難在保持性能的同時優化能效。功率不足還會導致系統故障、任務持續時間有限和運營成本增加。

除了性能方面的挑戰之外，緊湊型類人機器人中用于附加傳感電路的空間也有限。在不顯著增加模塊尺寸或系統重量的情況下，集成電流檢測和電壓檢測電路可能是一大難題。

進行機器人設計時，需要在高壓和低壓域中隔離電源和控制電路。要防止發生短路事件或出現過壓情況，就需要快速準確地發現這些故障，以避免損壞其他元件。

實現精確的電流和電壓測量

為了克服傳統機器人在設計方面的挑戰，德州儀器的功能隔離式轉換器使設計人員能夠實現平穩的轉矩操作和精確的電機控制，同時在低于 60V 的緊湊設計中保持小尺寸和低成本。

AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能隔離式 Δ-Σ 電流感應調制器以及 AMC0136 功能隔離式電壓感應調制器可實現更精確的電流和電壓測量。與如今的 8 位到 11 位模擬解決方案相比，這些器件具有 12 到 14 個有效位數 (ENOB)，如圖 2 所示。測量精度的提高可以改進對低電流和電壓電平的測量，從而實現精細的機器人任務和移動。

圖 2：提高 ENOB 和過采樣率有助于降低噪聲和提高分辨率

電隔離式調制器具有 150V/ns 的高共模瞬態抗擾度 (CMTI)，可改善防噪性能和系統級溫漂。數字接口確保脈寬調制開關不會影響測量精度。這些特性使機器人設計人員能夠使用 50V/ns 或更高的開關速度來實現高效的氮化鎵電機設計。開關柵極時，高 CMTI 還可以降低電源接地噪聲干擾微控制器的風險，從而防止數據損壞和性能下降。

除了功能隔離式調制器實現的性能優勢外，這些器件采用 3.5mm x 2.7mm 封裝，與其他增強型隔離式調制器解決方案相比，可將感應解決方案的尺寸縮小 50% 以上（參閱圖 3）。這種更小的外形尺寸還支持使用更小的印刷電路板 (PCB)，從而實現更小的機器人。

圖 3：AMC0106M05 將 PCB 解決方案尺寸縮小 50%

AMC21C12 功能隔離式比較器有助于實現 290ns 的響應時間，以防止出現短路事件或過壓情況等故障。這種故障檢測速度可以通過快速關斷柵極驅動器來幫助避免系統中的其他元件損壞。

結語

隨著功能隔離式傳感和高速轉矩響應方面取得預期進展，人們可以暢想機器人未來可實現的各種可能性。它們可以進行高級顯微手術或高速組裝小型電子產品。自主移動機器人可以在復雜的環境中更高效地導航；協作機器人可以在裝配線中更安全地工作；類人機器人可以進行復雜的維修，甚至還可以洗衣服。