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、物流和仓储、农业、零售业和酒店业。本文为白皮书第一篇，将重点讲解电机控制方案。

AMR主要技术概览

在制造行业，AMR 可用于运输货物、在工作站之间移动物品，以及在制造流程中执行质量控制任务；在医疗保健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。

这些机器人变得更加智能，并且能够与人类互动和协作，其中所牵涉的技术数量也不断增加，例如运动、机器视觉、自主导航、传感和连接技术。

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 设计选用合适的执行器技术至关重要。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，是 AMR 功能必不可少的器件。AMR 的性能要求、与系统的兼容性、可靠性和成本效益是器件选择过程中的关键考虑因素。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 是负责切换和控制大电流的电子器件，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。

安森美 (onsemi)提供多种 BLDC 电机控制方案，包括ecoSpin 电机控制器 (ECS640A)、通用控制板 (UCB)、NCP81075 栅极驱动器和 MOSFET 三相 BLDC 电源板。ECS640A 是一款三相 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。

安森美提供基于 PTNG 技术的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），其 Qrr 较低，适用于高功率 BLDC 电机应用。

执行器技术在设计和开发 AMR 时的作用不容小觑。BLDC 电机、电机控制器、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。