如何将系统效率和安全性融入更大功率的机器人中

随着制造业的自动化程度不断提高，以及消费者在家中安装这些自动化系统，机器人市场将继续增长。公司纷纷开始在其工厂和仓库中实现制造系统的自动化，并适应未来机器人与人类进行更多互动的情形。

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制造机器人的设计工程师了解，有数百种不同类型的机器人系统。如图 1 所示，机器人种类繁多，从功率只有几瓦的小型辅助机器人到自主移动机器人、类人机器人以及功率高达 4kW 及更高的重型工业机器人。

图 1. 协作机器人、移动机器人、类人机器人和工业机器人有各种形状和尺寸,功率级别范围为 10W 至 ≥4kW

机器人制造商在开发高级系统时面临几项设计挑战。上述机器人应用通常使用 48V 电压轨并支持 2kg 至 40kg 的有效载荷。在设计更高负载时，工程师必须同时考虑机械和设计影响，以适应更高的功率级别。较高的电流可能会因电磁干扰 (EMI) 或开关损耗过高而导致系统性能低下。功能安全也是一个重要因素，因为机器人经常在有人类存在的环境中使用。无论是在生产车间还是在消费者的家中，设计能够在必要时安全关闭的系统都非常重要。

借助 TI DRV8162 等智能单半桥栅极驱动器，您可以灵活地创建能够承受大功率和电压范围，同时降低 EMI 并符合功能安全标准的集成系统。

面向各种功率级别的设计

我们的智能栅极驱动器采用 TI 的 IDRIVE 可调栅极驱动电流方案，可在多个级别的栅极电流中控制 MOSFET 压摆率。DRV8162 具有 16 种可调的粒度设置（如图 2 所示），可控制何时选择 MOSFET 和终端应用。有关 IDRIVE 的更多详细信息，请阅读了解智能栅极驱动。

图 2. DRV8162 的 16 个 IDRIVE 设置和可编程的拉电流/灌电流比可省去外部无源器件并简化设计

使用方程式 1，您可以通过 MOSFET 的栅漏电荷 (Qgd) 规格以及 MOSFET 漏极和源极之间最大电压的上升和下降时间，估算出哪个 IDRIVE 设置更适合您的系统。这些值根据您的系统性能要求而变化。

方程式 1

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的栅极驱动设置，您将需要额外的无源器件（包括栅极电阻器）来实现所需的栅极电流。这些额外元件增加了总体物料清单成本，并增加了印刷电路板 (PCB) 的尺寸，这可能会对协作机器人、移动机器人和类人关节中的小型设计造成影响。

使用同类半桥栅极驱动器时，需要使用外部栅极电阻器，因为它们仅提供固定电流或两到四个分立式设置。DRV8162 驱动器中的 16 种栅极驱动设置和可编程拉/灌比率让您可以灵活地移除外部无源器件并简化设计。

宽 Qgd 支持使您可以在具有不同 MOSFET 的各种低功率、中功率和高功率机器人平台上使用驱动器，而无需更改每个系统中的栅极驱动器设计。DRV8162 的栅极拉电流和灌电流可分别设置为低至 16mA 和 32mA，最高可达 1024mA 和 2048mA。例如，48V 系统中的 1V/ns 压摆率可用于计算 48ns Trise/Tfall。这会产生该器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范围。

提高系统性能

与三相集成式栅极驱动器相比，DRV8162 的单半桥架构使其能够更靠近 FET。图 3 展示了两种圆形 PCB 设计，其中比较了三相与单相半桥实现。

图 3. 采用三相栅极驱动器实现方案的圆形 PCB 设计,左侧是 MCU、驱动器和 FET，右侧是单个半桥设计

将栅极驱动器放置在更靠近 FET 的位置可缩短布线长度，提高信号完整性，并减少栅极和源极节点上的寄生效应。更短的路径还有助于降低布线电感的影响，从而降低振铃和 EMI。

此外，DRV8162 有助于通过 20ns 的死区时间改善系统效率和声学性能，还有助于扩大工作脉宽调制占空比范围，从而扩大速度范围，同时提高电机的可用电压。更短的死区时间还可以更大限度减少二极管导通损耗，提高系统效率，并减少电机电流失真，从而降低可闻噪声。这些效果可提高系统的整体性能和效率。

机器人中的 STO

许多机器人与人类并肩作战，因此在发生电源故障、电涌或短路时关闭系统至关重要。在器件扭矩无法预测的情况下，电机驱动应用出现故障可能会导致危险情况。由于一些机械在涉及重负载的工业环境中运行，因此必须能够安全关闭并防止意外启动。

国际电工委员会 (IEC) 61800-5-2 标准定义了电路设计中被称为安全扭矩关断 (STO) 的安全功能，该功能可防止向电机供电。DRV8162 和 TI 的 DRV8162L 采用了分离电源架构，可帮助您在系统中实施 STO。

在更高功率的设计中，工程师可以参考适用于集成电机驱动器的 48V、4kW 小型三相逆变器参考设计 (TIDA-010956)，该设计采用了具有 48VDC 输入电压和 85ARMS 输出电流的 DRV8162L。如图 4 所示，该设计包含建议的 STO 概念、并联 FET、高功率和单个半桥栅极驱动器。

图 4. TI 的三相逆变器参考设计 (TIDA-010956)

结语

机器人的现有电机设计采用分立式实现来满足安全要求，这会增加电路板尺寸和物料清单数量。为了提高各种形状和尺寸的机器人的效率和安全性，需要使用 DRV8162 这类更小、更安全的集成式栅极驱动器。新款智能单半桥栅极驱动器助力设计人员将功率从 10W 扩展到 4kW 及更高，同时缩小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供灵活性，从而在未来多年内加速机器人创新。