人工視覺、傳感器與控制算法日益進(jìn)步，機(jī)器人也正變得越來越智能，現(xiàn)在已經(jīng)能夠自主執(zhí)行一些復(fù)雜的任務(wù)，例如移動(dòng)、抓取和定位物體。自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 具有多種優(yōu)勢，例如提高效率、降低人力成本和提升安全性，目前已在許多行業(yè)得到普遍應(yīng)用，包括制造業(yè)、醫(yī)療保健、物流和倉儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)、零售業(yè)和酒店業(yè)。本文為白皮書第一篇，將重點(diǎn)講解電機(jī)控制方案。

AMR主要技術(shù)概覽

在制造行業(yè)，AMR 可用于運(yùn)輸貨物、在工作站之間移動(dòng)物品，以及在制造流程中執(zhí)行質(zhì)量控制任務(wù)；在醫(yī)療保健領(lǐng)域可用于運(yùn)輸醫(yī)療用品和設(shè)備，并能夠降低污染風(fēng)險(xiǎn)、提高運(yùn)營效率；

在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域可用于運(yùn)輸貨物、裝卸車輛，并可以在各種環(huán)境下作業(yè)，從而能夠提高安全性和效率；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠降低人力成本，并提供準(zhǔn)確的農(nóng)作物監(jiān)測和土壤分析結(jié)果；在零售和酒店業(yè)，AMR 可以運(yùn)輸物品和引導(dǎo)賓客，使員工能夠?qū)Ｗ⒂谂c客戶的互動(dòng)，從而改善客戶服務(wù)。技術(shù)仍在不斷進(jìn)步，我們期待看到更多實(shí)用的 AMR 創(chuàng)新應(yīng)用。

這些機(jī)器人變得更加智能，并且能夠與人類互動(dòng)和協(xié)作，其中所牽涉的技術(shù)數(shù)量也不斷增加，例如運(yùn)動(dòng)、機(jī)器視覺、自主導(dǎo)航、傳感和連接技術(shù)。

自主移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)涉及各種重要器件，例如無刷直流電機(jī)、傳感器、電源、照明和通信器件等。相比有刷電機(jī)，無刷直流電機(jī)具有可靠性高、維護(hù)量少、效能高等多種優(yōu)勢，但其控制需要復(fù)雜的算法和適合的驅(qū)動(dòng)器。三相 BLDC 電機(jī)廣泛用于機(jī)器人及其他要求嚴(yán)苛的應(yīng)用，其中大多數(shù)是由功率晶體管驅(qū)動(dòng)的，而功率晶體管采用脈沖寬度調(diào)制 PWM 信號來確定導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的換向。

圖 1.工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人的主要器件

電機(jī)控制器可以通過全整合將控制算法嵌入到器件中，或使用專用的微控制器 (MCU) 來實(shí)現(xiàn)所需的控制算法。功率 MOSFET 基于硅或?qū)捊麕Р牧希ɡ?SiC 和 GaN），可驅(qū)動(dòng)三相 BLDC 電機(jī)。

機(jī)器人需借助不同類型的傳感器來獲取環(huán)境相關(guān)信息并與之交互。典型的傳感器包括圖像傳感器、溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器和激光雷達(dá)。這些傳感器大多數(shù)采用固態(tài)技術(shù)制造，具有成本低、可靠性高、性能長期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

此外，機(jī)器人還需要電源供應(yīng)器，并且應(yīng)由電池供電以實(shí)現(xiàn)完全自主。為此，需要用到各種不同的器件，例如電池充電器、電池和電流監(jiān)測器、負(fù)載開關(guān)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 2. 安森美 AMR 框圖

電機(jī)控制方案

自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 需借助先進(jìn)的執(zhí)行器技術(shù)來精準(zhǔn)控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，為 AMR 設(shè)計(jì)選用合適的執(zhí)行器技術(shù)至關(guān)重要。做選擇時(shí)，需綜合評估無刷直流電機(jī)控制器、功率晶體管、通用控制板和柵極驅(qū)動(dòng)器等器件。接下來我們將探討 AMR 設(shè)計(jì)和開發(fā)中所使用的執(zhí)行器技術(shù)，并重點(diǎn)介紹 AMR 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)選擇所涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)和關(guān)鍵因素。

執(zhí)行器（例如電機(jī)）負(fù)責(zé)讓機(jī)器人的輪子或手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，是 AMR 功能必不可少的器件。AMR 的性能要求、與系統(tǒng)的兼容性、可靠性和成本效益是器件選擇過程中的關(guān)鍵考慮因素。此外，執(zhí)行器還必須能夠提供高扭矩、高速度、高能效，并且兼具重量小、外形緊湊等特性。

BLDC 電機(jī)能效高、噪音低、壽命長，此外其扭矩重量比很高，因此經(jīng)常用于 AMR，是移動(dòng)機(jī)器人的理想選擇。電機(jī)控制器可控制電機(jī)的速度和方向，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)開發(fā)套件在 AMR 開發(fā)中不可或缺，使工程師有機(jī)會(huì)嘗試不同的電機(jī)控制策略。MOSFET 是負(fù)責(zé)切換和控制大電流的電子器件，常用在電機(jī)控制器中，用于控制流過電機(jī)繞組的電流。

通用控制板簡化了將不同器件集成到單一系統(tǒng)的相關(guān)工作。柵極驅(qū)動(dòng)器控制著施加到 MOSFET 或電機(jī)控制器中其他類型晶體管的電壓和電流，是高性能電機(jī)控制應(yīng)用的理想選擇。

安森美 (onsemi)提供多種 BLDC 電機(jī)控制方案，包括ecoSpin 電機(jī)控制器 (ECS640A)、通用控制板 (UCB)、NCP81075 柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 三相 BLDC 電源板。ECS640A 是一款三相 BLDC 電機(jī)控制器，集成了針對低功耗優(yōu)化的 Arm Cortex-M0+ 微控制器和專為高壓、高速操作而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器。UCB 是基于 Xilinx Zynq-7000 SoC 的系統(tǒng)模塊，適用于高端控制和 AI 應(yīng)用。NCP81075 是一款高性能雙 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng) IC，專為高壓、高速操作而設(shè)計(jì)，最高可驅(qū)動(dòng) 180 V MOSFET。MOSFET 電源板由四塊板組成，用于驅(qū)動(dòng)低壓和中壓三相 BLDC 電機(jī)。

安森美基于屏蔽柵極溝槽技術(shù)設(shè)計(jì)了多款 MOSFET，功率范圍涵蓋 30 V 到 150 V，此外還提供多種封裝選項(xiàng)，包括傳統(tǒng)封裝以及更緊湊、熱效率更高的雙面散熱和頂部散熱先進(jìn)封裝。基于新 T10 技術(shù)的 30 V、40 V 和 80 V MOSFET 支持低壓和中壓三相 BLDC 電機(jī)。NTMFWS0D42N04X (40 V?.42 mQ) 和 NTMFWS1D5N08X (80 V1.5 mQ) 均為 RDS(on) 超低的 FET，目前均已發(fā)售。

安森美提供基于 PTNG 技術(shù)的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），其 Qrr 較低，適用于高功率 BLDC 電機(jī)應(yīng)用。

執(zhí)行器技術(shù)在設(shè)計(jì)和開發(fā) AMR 時(shí)的作用不容小覷。BLDC 電機(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)開發(fā)套件、MOSFET、通用控制板和柵極驅(qū)動(dòng)器等先進(jìn)執(zhí)行器技術(shù)有助于精確控制 AMR 的運(yùn)動(dòng)軌跡。執(zhí)行器技術(shù)仍在持續(xù)發(fā)展，我們未來有望看到更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大的 AMR。