简要解析AMR电机控制方案

人工视觉、传感器与控制算法日益进步，机器人也正变得越来越智能，现在已经能够自主执行一些复杂的任务，例如移动、抓取和定位物体。自主移动机器人 (AMR) 具有多种优势，例如提高效率、降低人力成本和提升安全性，目前已在许多行业得到普遍应用，包括制造业、医疗保健、物流(liú)和(hé)仓(cāng)储(chǔ)、农(nóng)业(yè)、零(líng)售(shòu)业(yè)和(hé)酒(jiǔ)店(diàn)业(yè)。本(běn)文为(wèi)白(bái)皮(pí)书(shū)第(dì)一(yī)篇(piān)，将(jiāng)重(zhòng)点(diǎn)讲(jiǎng)解(jiě)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)方(fāng)案(àn)。

AMR主要(yào)技(jì)术(shù)概(gài)览(lǎn)

在(zài)制(zhì)造(zào)行(xíng)业(yè)，AMR 可(kě)用(yòng)于(yú)运(yùn)输(shū)货物、在工作站之间移动物品，以及在(zài)制(zhì)造(zào)流(liú)程(chéng)中(zhōng)执(zhí)行(xíng)质(zhì)量(liàng)控(kòng)制(zhì)任(rèn)务(wu)；在(zài)医(yī)疗(liáo)保(bǎo)健(jiàn)领域可用于运输医疗用品和设备，并能够降低污染风险、提高运营效率；

在物流仓储领域可用于运输货物、装卸车辆，并可以在各种环境下作业，从而能够提高安全性和效率；在农业领域能够降低人力成本，并提供准确的农作物监测和土壤分析结果；在零售和酒店业，AMR 可以运输物品和引导宾客，使员工能够专注于与客户的互动，从而改善客户服务。技术仍在不断进步，我们期待看到更多实用的 AMR 创新应用(yòng)。

这(zhè)些(xiē)机(jī)器(qì)人(rén)变(biàn)得(de)更(gèng)加(jiā)智(zhì)能(néng)，并(bìng)且(qiě)能(néng)够(gòu)与(yǔ)人(rén)类(lèi)互(hù)动(dòng)和(hé)协(xié)作(zuò)，其(qí)中(zhōng)所(suǒ)牵(qiān)涉(shè)的(de)技(jì)术(shù)数(shù)量(liàng)也(yě)不(bù)断(duàn)增(zēng)加(jiā)，例(lì)如(rú)运(yùn)动(dòng)、机(jī)器(qì)视(shì)觉(jué)、自(zì)主导(dǎo)航(háng)、传(chuán)感(gǎn)和(hé)连(lián)接(jiē)技(jì)术(shù)。

自主移动机器人设计涉及各种重要器件，例如无刷直流电机、传感器、电源、照明和通信器件等。相比有刷电机，无刷直流电机具有可靠性高、维护量少、效能高等多种优势，但其控制需要复杂的算法和适合的驱动器。三相 BLDC 电机广泛用于机器人及其他要求严苛的应用，其中大多数是由功率晶体管驱动的，而功率晶体管采用脉冲宽度调制 PWM 信号来确定导通和关断状态之间的换向。

图 1.工业自动化机器人的主要器件

电机控制器可以通过全整合将控制算法嵌入到器件中，或使用专用的微控制器 (MCU) 来实现所需的控制算法。功率 MOSFET 基于硅或宽禁带材料（例如 SiC 和 GaN），可驱动三相 BLDC 电机。

机器人需借助不同类型的传感器来获取环境相关信息并与之交互。典型的传感器包括图像传感器、温度传感器、旋转传感器和激光雷达。这些传感器大多数采用固态技术制造，具有成本低、可靠性高、性能长期稳定等优点。

此外，机器人还需要电源供应器，并且应由电池供电以实现完全自主。为此，需要用到各种不同的器件，例如电池充电器、电池和电流监测器、负载开关和 DC-DC 转换器。

图 2. 安森美 AMR 框图

电机控制方案

自主移动机器人 (AMR) 需借助先进的执行器技术来精准控制其运动轨迹，因此，为 AMR 设计选(xuǎn)用(yòng)合(hé)适(shì)的(de)执(zhí)行(xíng)器(qì)技(jì)术(shù)至(zhì)关重要。做选择时，需综合评估无刷直流电机控制器、功率晶体管、通用控制板和栅极驱动器等器件。接下来我们将探讨 AMR 设计和开发中所使用的执行器技术，并重点介绍 AMR 电机驱动技术选择所涉及的技术细节和关键因素。

执行器（例如电机）负责让机器人的轮子或手臂进行运动(dòng)，是(shì) AMR 功(gōng)能(néng)必(bì)不(bù)可(kě)少(shǎo)的(de)器(qì)件(jiàn)。AMR 的(de)性(xìng)能(néng)要(yào)求(qiú)、与(yǔ)系(xì)统(tǒng)的(de)兼(jiān)容(róng)性(xìng)、可(kě)靠(kào)性(xìng)和(hé)成(chéng)本(běn)效(xiào)益(yì)是(shì)器(qì)件(jiàn)选(xuǎn)择(zé)过(guò)程(chéng)中(zhōng)的(de)关键考(kǎo)虑(lǜ)因(yīn)素。此外，执行器还必须能够提供高扭矩、高速度、高能效，并且兼具重量小、外形紧凑等特性。

BLDC 电机能效高、噪音低、寿命长，此外其扭矩重量比很高，因此经常用于 AMR，是移动机器人的理想选择。电机控制器可控制电机的速度和方向，其主要优点是能够精确控制电机的运动。电机开发套件在 AMR 开发中不可或缺，使工程师有机会尝试不同的电机控制策略。MOSFET 是负责切(qiè)换(huàn)和(hé)控(kòng)制(zhì)大(dà)电流的电子器件，常用在电机控制器中，用于控制流过电机绕组的电流。

通用控制板简化了将不同器件集成到单一系统的相关工作。栅极驱动器控制着施加到 MOSFET 或电机控制器中其他类型晶体管的电压和电流，是高性能电机控制应用的理想选择。

安(ān)森(sēn)美(měi) (onsemi)提(tí)供(gōng)多(duō)种(zhǒng) BLDC 电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)方(fāng)案(àn)，包(bāo)括(kuò)ecoSpin 电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)器(qì) (ECS640A)、通(tōng)用(yòng)控(kòng)制(zhì)板(bǎn) (UCB)、NCP81075 栅(zhà)极(jí)驱(qū)动(dòng)器(qì)和(hé) MOSFET 三(sān)相(xiāng) BLDC 电(diàn)源(yuán)板(bǎn)。ECS640A 是(shì)一(yī)款(kuǎn)三(sān)相 BLDC 电机控制器，集成了针对低功耗优化的 Arm Cortex-M0+ 微控制器和专为高压、高速操作而设计的栅极驱动器。UCB 是基于 Xilinx Zynq-7000 SoC 的系统模块，适用于高端控制和 AI 应用。NCP81075 是一款高性能双 MOSFET 栅极驱动 IC，专为高压、高速操作而设计，最高可驱动 180 V MOSFET。MOSFET 电源板由四块板组成，用于驱动低压和中压三相 BLDC 电机。

安森美基于屏蔽栅极沟槽技术设计了多款 MOSFET，功率范围涵盖 30 V 到 150 V，此外还提供多种封装选项，包括传统封装以及更紧凑、热效率更高的双面散热和顶部散热先进封装。基于新 T10 技术的 30 V、40 V 和 80 V MOSFET 支持低压和中压三相 BLDC 电机。NTMFWS0D42N04X (40 V�.42 mQ) 和 NTMFWS1D5N08X (80 V1.5 mQ) 均为 RDS(on) 超低的 FET，目前均已发售。

安(ān)森(sēn)美(měi)提(tí)供(gōng)基(jī)于(yú) PTNG 技(jì)术(shù)的(de) MOSFET（80 V、100 V、120 V 和(hé) 150 V），其(qí) Qrr 较(jiào)低(dī)，适(shì)用(yòng)于(yú)高(gāo)功(gōng)率(lǜ) BLDC 电(diàn)机(jī)应(yīng)用(yòng)。

执(zhí)行(xíng)器(qì)技(jì)术(shù)在(zài)设(shè)计(jì)和(hé)开(kāi)发(fā) AMR 时(shí)的(de)作(zuò)用(yòng)不(bù)容(róng)小(xiǎo)觑(qù)。BLDC 电(diàn)机(jī)、电(diàn)机控制器、电机开发套件、MOSFET、通用控制板和栅极驱动器等先进执行器技术有助于精确控制 AMR 的运动轨迹。执行器技术仍在持续发展，我们未来有望看到更复杂、功能更强大的 AMR。