2022年工业机器人设计工程师指南.pdf

工业机器人设计工程师指南机器人系统设计技术文档汇编工业机器人设计工程师指南 2 2Q 2020 I 德州仪器(TI)目录/概述1.简介 1.1 工业机器人系统简介.32.机器人系统控制器 2.1 控制面板2.1.1将Sitara处理器应用于工业 4.0伺服驱动器.92.2 机器人系统的伺服驱动器2.2.1隔离式栅极驱动器的影响.132.2.2了解峰值源电流和灌电流参数.172.2.3带UVLO和BJT图腾柱的低侧栅极驱动器.192.2.4适用于栅极驱动器的外部栅极电阻器设计指南 202.2.5用于提供过流保护的高侧电机电流监测.222.2.6增强型PWM抑制为直列式电机控制带来的五大好处.242.2.7如何避免控制系统遭受热损坏.262.2.8高精度电机驱动控制如何推动工业发展.292.2.9在整个温度范围内发挥功率级的最大效用.332.2.10 非分立式解决方案：如何简化48V至60VDC馈电的三相逆变器设计.352.2.11 选择三相电机驱动器中使用的基于分流器的电流感应放大器.382.3.1机器人系统中与伺服驱动相关的参考设计.443.机械臂和驱动系统（机械手）3.1.1 如何保护电池的电源管理系统免受热坏.453.1.2 保护电池并不像您想的那么难.463.1.3 机器人系统中与位置反馈相关的参考计.474.传感和视觉技术 4.1机器人应用中的TI毫米波雷达传感器.484.2边缘智能为自主工厂提供助力.534.3对智能机器人使用超声波传感.554.4传感器数据如何赋能机器人技术中的AI.574.5将机器学习引入嵌入式系统.614.6机器人可以应对新的挑战和功能.654.7机器人系统的视觉和传感技术参考设计.665.机器人工具技术（末端执行器）5.1利用TIDLP技术驱动的结构光系统实现高精度的捡拾功能.676.机器人工业通信 6.1为传感器选择合适的工业通信标准.696.2赋能机器人以实现更高水平的工厂自动化.736.3您的工厂比五年级学生聪明吗？.766.4机器人系统中与工业通信相关的参考设计.78工业机器人设计工程师指南 3 2Q 2020 I 德州仪器(TI)德州仪器(TI)的模拟和嵌入式技术以及参考设计可帮助工程师开发智能、自主和协作的机器人。本电子书旨在一站式提供与机器人技术相关的内容。利用我们的技术可以构建多种类型的工业机器人，实现精确的电机控制、差异化的传感技术和边缘处理功能，以及强大的实时通信。本电子书中讨论的机器人的主要类型是协作机器人和工厂机器人：协作机器人与人类并肩工作，以提高工作质量。协作机器人可以检测并停止运动，从而帮助创建一个更安全的工作环境。工厂机器人在制造过程中执行自动可编程动作。为了创建一个更安全的工作环境，机械或传感器技术有助于防止机器人干扰人类活动。工业机器人有六种类型：垂直关节型。笛卡尔坐标型。圆柱坐标型。球坐标型。选择顺应性装配机器手臂机器人(SCARA)。Delta机器人。所有这些机器人类型都提供了具有不同轴配置的机械手，并包括使机器人能够管理其任务的电子内容。任务管理的进步由软件、传感器和电子技术共同推动，并在过去50年中推动了工业机器人市场的发展。本电子书汇集了技术文章、白皮书和应用手册，介绍了适用于这些工业机器人系统构建块的TI技术：机器人控制器系统。机械手（机械臂）/驱动系统。传感和视觉技术。末端执行器（机器人工具）。1.1工业机器人系统简介在介绍典型机器人系统中使用的不同技术之前，让我们先讨论一下机器人系统的不同组成部分，如图1所示。您可以看到，该系统分为不同的构建块：控制器系统、机械手、示教器、视觉和传感器以及末端执行器（机器人工具）。图1.采用协作机器人的机器人系统。国际标准化组织(ISO)8373:2012标准描述了图1所示的各个构建块，并定义了与工业和非工业环境中运行的机器人和机器人设备相关的术语：控制器系统。ISO8373标准规定：“一组逻辑控制和电源功能，可以监测和控制机器人的机械结构并与环境设备和用户进行通信。”它是机器人的大脑，可包括运动控制器、内部和外部通信系统以及任何潜在的功率级。第1章：简介工业机器人设计工程师指南 4 2Q 2020 I 德州仪器(TI)机械手.ISO8373标准还规定：“一种机器，其机构通常由一系列相互连接或滑动的部分组成，目的是通常在几个自由度或轴上抓持和/或移动物件（零件或工具）。机械手不包括末端执行器。”机械手通常称为机械臂。它是机器人的一部分，其定义了机器人配备的轴数，以实现执行某一任务而需要进行的移动。示教器.用于对工业机器人进行编程和教学的多功能便携式设备。示教器通常由LCD触摸面板、启用按钮和紧急停止按钮组成。示教器连接到机器人控制器系统。机器人末端执行器。连接在机器人“手腕”或臂端工具(EOAT)上的设备。系统控制器通过对简单工具使用离散输入/输出(I/O)或对更高级的工具使用工业通讯协议来控制机器人末端执行器。视觉和传感器。机器人的这些器件能够扫描周围环境，并在人类接近时停止（对于工业机器人而言）或降低（对于协作机器人而言）机器人的速度。视觉/传感是通过激光雷达(LIDAR)、基于雷达的安全区域扫描仪或3D摄像机来实现的。除了安全区域扫描仪之外，协作机器人有时还会穿戴基于传感器的“安全皮肤”，当有人触摸或接近机械臂时，它会停止机械臂。在设计机器人系统的构建块时，需要了解机电一体化、机器人功能和电气注意事项，并在开始实际设计之前熟悉规范。让我们讨论一下定义机器人系统架构时的一些典型注意事项。机器人应该执行哪种类型的任务？根据应用的不同，不同类型的机器人具有不同的优势。典型的工业机器人有：关节型。这种机器人设计具有旋转轴，旋转轴的数量从简单的三轴结构到10个或更多关节不等。机械手通过扭转关节连接到基座。旋转轴连接机械手中的连杆。每个轴提供额外的自由度或运动范围。笛卡尔坐标型。这些也称为直线型或龙门式机器人。笛卡尔坐标型机器人具有三个使用笛卡尔坐标系（x、y和z）的线性轴。它们可能具有一个实现旋转运动的连接轴。三个平移关节便于沿轴线进行线性运动。圆柱形.该机器人在基座上具有至少一个旋转轴和至少一个连接到连杆的平移轴。旋转轴使用沿轴线的旋转运动，而平移轴使用线性运动。圆柱坐标型机器人在圆柱形工作环境中工作。极坐标.球坐标机器人也称为球形机器人。对于这些类型的机器人，机械手通过扭转轴以及两个旋转轴和一个线性轴的组合连接到基座。轴形成球坐标系并创建球形工作环境。选择顺应性装配机器手臂机器人(SCARA)。通常用于装配应用中，这种选择顺应性装配机器机械手在设计上主要是圆柱形的。它具有两个平行轴，可在一个选定的平面内提供顺应性。Delta（增量）.这些蜘蛛状机器人由连接到公共基座的有关节平行四杆机构构建而成。Delta机器人的平行四杆机构有三个轴。对于末端执行器，它可以具有一到三个轴。平行四杆机构在圆顶形的工作区域中移动单个EOAT。该机器人配置广泛用于食品、制药和电子行业，能够提供精细、精确的动作。机器人的有效载荷（重量）和臂展是多少？如果机器人要移动重物，则它需要在电机上施加足够的力才能实现该功能。该力由电能产生，并从功率级提供给电机。此功率要求是确定机器人属于高压系统还是低压系统的其中一个因素。高压机器人系统需要定义隔离架构以确保安全运行。第1章：简介工业机器人设计工程师指南 5 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第1章：简介电子设备会集中到系统控制器中吗？在集中式系统中，机器人控制柜包括控制机器人机械手的大多数电子模块。图2 是一个集中式机器人的示例。图2.集中式机器人系统示例.Robot controller system cabinetCircuit brakerIndustrial robotteach pendant(HMI)Industrial robotCPU boardRobot controllerServo drivecontrol moduleServo drivepower supply moduleIdustrial robotsensing moduleManipulatorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorIndustrial robotcommunication moduleIndustrial robotIO moduleE-stopEnd effector(tool)Servo drivecontrol panelAC mainsFANPoint-to-point ordaisy-chainServo driveposition feedbackAxis 1PMSMAxis 2Axis NPosition feedbackaggregatorPoint-to-point ordaisy-chainN is typicallybetween 3 to 7Optional axis controllerdepending on gearHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensor工业机器人设计工程师指南 6 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第1章：简介在分散式系统中，这些模块中的其中一些模块将移至机器人机械手，以支持多种外形尺寸，包括机柜的外形尺寸、电缆等。图3 是一个分散式机器人的示例。在分散电子内容时，请务必记住，现在使用电子产品的环境与集中式系统的环境不同。这种环境变化需要对电子产品进行重新规范，并且通常需要对部分系统进行重新开发。机器人的不同子系统之间将如何通信？接口要求是什么？为了确保实时功能，需要定义子系统之间传递哪些控制参数，以及末端执行器和机械手通信的参数重复率和延迟。图4 包括了一些典型的机器人实时时序值。现在，机器人可以移动了，它需要知道如何移动，这就引出了下一系列的问题。Servo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo drivePMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo drivePMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorRobot controller system cabinetCircuit brakerIndustrial robotteach pendant(HMI)Industrial robotCPU boardRobot controllerIndustrial robotcommunication moduleServo drivepower supply moduleManipulatorServo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo driveIndustrial robotIO moduleE-stopEnd effector(tool)Servo drivecontrol panelAC mainsFANPoint-to-point ordaisy-chainAxis 1PMSMAxis 2Axis NN is typicallybetween 3 to 7Optional axis controllerdepending on gearHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorBrakeResistorIndustrial robotsensing module图3.分散式机器人系统示例.工业机器人设计工程师指南 7 2Q 2020 I 德州仪器(TI)编程接口是如何工作的？机器人将通过用户界面还是通过任务编程进行操作？您是否需要一个额外的接口来连接示教器或操纵杆以启用操作员功能？在设计过程中尽早对这些问题做出答案很重要。图4还包括一些运动控制时序的一些设计考虑。现在，来看一下最后一个问题。机器人是非自适应机器人还是自适应机器人？非自适应机器人不会接收到来自环境的反馈，而是将按照编程程序执行其任务。自适应机器人使用输入和输出数据来生成环境数据。利用这些数据，机器人可以对环境变化做出反应，并在必要时停止其任务。对于自适应机器人，定义机器人正在对其做出响应的环境数据非常重要。数据可能是预定义的参数，例如用于质量定义的材料数量、尺寸或形状。或者可能是不受控制的参数，例如有人在机器人周围走动或发生故障，当检测到这些情况发生时会将机器人置于安全状态。第1章：简介图4.机器人控制的实时通信时序需求.PMSMGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorMotioncontrolPosition and speed control FOC Typical high-speed or parallel I/F Less signals to potentially isolateIndustrial robot CPU board Robot/motion control Position and speed controlServo drive control module Position and speed control Current controlCurrent control FOCPWMunitA/DEncoderinterfaceEncoderinterfacePotentialisolation barrier1 kHz to 32 kHz1 kHz to 16 kHzPosition and speed control:Current control:8 kHz to 64 kHz(if double update)IQREFVA,VB,VCIA,IB,IC,VDCRotor angle/speedRotor angleAxis angle/speedMotor angle feedbackoptional axis angle feedbackIndustrial ethernet fieldbusDigitalAnalogPWM:8 kHz to 32 kHzDC voltagePhase current(3x or 2x)VDC48 V to 1200 VAxis 1Absolute encoderincremental encoderresolver工业机器人设计工程师指南 8 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第1章：简介自适应机器人需要一个传感模块。区域安全扫描仪或安全皮肤放置在机器人的基座或安装在机器人顶部的某个位置。它可以监控机械手的周围区域，并防止人类或其他机器离机器人太近；如果他们离机器人太近，机器人就会停止或减速。在设计机器人系统时，应该遵循全球和本地安全标准。不了解相关标准便开始设计工作可能会大大延迟产品上市时间。许多组织可提供咨询服务，帮助您了解根据安全标准设计安全系统的硬件含义，这些组织包括技术监督协会(TV)莱茵、TV南德和TV北德。结论机器人是一个非常复杂的系统，在机电一体化和功能性以及电气方面存在许多设计挑战。在实现一个可行的工作系统前，您需要解决了这些挑战或做出一些决定。利用机器人系统的所有不同技术特性，德州仪器(TI)的模拟和嵌入式技术提供了许多不同的产品和设计，可以帮助解决与机器人有关的问题，实现智能、自主和协作机器人的开发。这本电子书汇集了技术文章、白皮书和应用手册，它们均包括有助于帮您设计下一个机器人系统的技术。作者：KristenMogensen工业机器人设计工程师指南 9 2Q 2020 I 德州仪器(TI)2.1控制面板2.1.1将Sitara处理器应用于工业4.0伺服驱动器制造和自动化行业已经使用了多年的伺服电机控制技术，但是工业4.0和智能工厂的兴起加速了自动化系统的应用，进而增加了对具有更多功能、可控制更多轴并且更智能的伺服驱动器的需求。以前，高端微控制器和大型现场可编程门阵列(FPGA)执行低级控制算法，并提供外设以连接至驱动器输出和电机反馈。但是，随着设备变得更加智能且性能更高，伺服驱动器必须满足的要求也在迅速变化。网络通信、功能安全、预测性维护和可编程逻辑控制器(PLC)等功能已被引入到伺服控制板中，旨在通过取消外部板来优化成本和空间。集成水平的提高和对更高性能的需求，促使设计人员寻求异构处理器（例如TI的Sitara 处理器）来满足工业4.0应用的大部分（甚至全部）处理需求。性能在伺服电机驱动应用中，电机控制通常分为几个控制回路层：电流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高级别的运动控制回路。这些回路通常以级联的形式排列，每个回路都有自己的实时处理要求。电流或扭矩回路是最严格的控制回路。每个上游回路以其之前回路的倍数运行，并为下游回路提供输入参考。图1 显示了典型的级联控制拓扑。图1中的模块非常适合用于跨异构处理器内核或在处理器与微控制器之间进行逻辑分区。在多核处理器的不同内核之间分散各个回路，可以使专用于每个回路的处理带宽最大化。当处理器内核接收到其控制回路输入数据时，它可以尽快运行算法以使其完成，为下游回路提供参考值，然后继续提供其他服务，直到准备好下一组输入数据为止。具有较高原始性能的处理器可以更快完成控制处理，并具有更多可用带宽来提供其他服务和功能。32kHz控制回路中的周期时间接近31.25s时，或必须几乎同时处理来自多个轴的输入时，快速处理至关重要。第2章：机器人系统控制器Position(1 kHz to 4 kHz 1 ms to 250 s)Speed/velocity(2 kHz to 8 kHz 500 s to 125 s)Torque/current(8 kHz to 32 kHz 125 s to 31.25 s)AnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)Speedx3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMSMSpeedloop图1.典型的伺服电机控制回路技术.工业机器人设计工程师指南 10 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第 2 章：机器人系统控制器对于伺服控制的严格实时处理要求，有几种选择，包括数字信号处理器(DSP)、FPGA和标准Arm处理内核。选择合适的处理内核可能很困难，因为需要在灵活性与优化控制算法之间保持平衡。过去，优化控制算法是第一要务，因此DSP、专用集成电路(ASIC)和FPGA是确定无疑的选择。现在，由于需要向伺服驱动器添加工业4.0服务，因此开始采用标准的ArmCortex-A和Cortex-R内核。Cortex-A内核可以实现非常高的带宽，这对于快速处理非常有用，但这种内核缺少Cortex-R的实时组件，这便是Cortex-R在伺服控制方面比Cortex-A更适合的原因。另一方面，Cortex-A比Cortex-R更适合许多其他服务，例如网络或预测性维护。幸运的是，诸如SitaraAM6x处理器之类的多核器件可以包含此处提到的所有处理元件，因此可以在单个芯片中实现所有必要的元素。工业通信工业4.0给工厂带来了许多令人振奋的新事物，但工业伺服驱动器行业中最引人注目的现象之一是多协议工业以太网的迅速应用。市场上存在着针对工业以太网、现场总线和位置编码器的十多种不同通信协议，每种都有其优缺点。EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IndustrialProtocol(IP)是伺服驱动器市场中最受欢迎的基于以太网的协议，而HiperfaceDigitalServoLink、EnDat2.2和BidirectionalInterfaceforSerial/SynchronousC则是最受欢迎的位置编码器协议。这些协议中的许多协议都有ASIC可以附加到主机处理器上以支持该特定通信协议。在某些情况下，采用多芯片解决方案时，协议栈在主机处理器上运行，而ASIC执行媒体访问控制层。仅计划支持单个协议的制造商更喜欢这种分布式体系结构，因为ASIC通常针对该特定通信标准进行了优化。一旦出现了支持多种协议的需求，多芯片解决方案便会由于多种原因而失去吸引力。每种新协议都要求您熟悉新器件（这会增加开发工作量和成本）。对于每种不同的协议，制造商必须维护其电路板的多个版本。诸如Sitara处理器之类的解决方案已将多协议支持能力集成到主机处理器中，有助于节省成本、缩减布板空间和减少开发工作量，同时还可以最小化外部组件与主机之间通信的相关延迟。支持多种标准的单一平台使您能够为最终产品的不同版本维护一块单板。如果需要使产品适应未来需求，还必须考虑对于时间敏感网络(TSN)的支持需求。选择用于工业通信的平台必须足够灵活，能够适应不断发展的TSN标准，否则一旦最终确定标准，便有可能面临过时风险。SitaraAM6x处理器系列通过其灵活的可编程实时单元-工业通信子系统(PRU-ICSS)提供了一种解决方案，支持千兆位TSN以及传统的100Mbps协议（例如EtherCAT）。功能安全自主机器决策与操作的发展趋势以及在潜在危险工厂环境中人机交互的不断增加，意味着“功能安全”对于智能工厂中的许多应用（包括伺服驱动器）而言越来越重要。有关功能安全标准以及Sitara处理器如何在工业环境中发挥作用的详细说明，请阅读白皮书工业 4.0 中的功能安全状态。工业机器人设计工程师指南 11 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第 2 章：机器人系统控制器系统分区伺服驱动器中的级联控制回路通常跨越至少两个电路板，电路板之间由增强型隔离边界隔开。这种隔离边界将形成所谓的“热侧”和“冷侧”。热侧最靠近电机，并包括向电机供电的高压组件。冷侧在隔离的另一侧，通常容纳控制单元。跨隔离边界划分系统时，电机驱动器中各种控制回路的模块化特性为您提供了许多可能性。图2、3和4显示了伺服驱动器一些可能的分区。图2 显示了一种包含两个芯片的解决方案，其中的两个片上系统(SoC)被隔离边界隔开。这种架构的好处在于，场定向控制回路从电机获取输入并返回电流的总时间很短，因为整个回路都在功率级板上运行。图3 也显示了一种包含两个芯片的解决方案，但是这次位于控制板上的两个 SoC 都处于冷侧。控制回路在两个SoC之间分开：一个SoC负责算法处理，另一个SoC充当聚合器并提供跨隔离边界的脉宽调制器(PWM)。这种架构的好处在于，可以使用成本更低的功率级板，但保持相同的性能水平，而图2所示的分区则需要两个SoC之间具有高速接口。图2.Sitara处理器跨隔离边界与系统热侧的单独控制单元进行通信.图3.Sitara处理器充当伺服处理器，并将不同的控制功能卸载到系统冷侧的C2000微控制器或FPGA。ReinforcedisolationboundarySitaraAnalog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control board(low voltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMSMSpeedloopReinforcedisolationboundarySitaraAggregator(C2000/FPGA)Analog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control board(low voltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionandspeedloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitDataaggregatorPMSMTorque/currentloopFOC工业机器人设计工程师指南 12 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第 2 章：机器人系统控制器在图4中，包含PWM和运动曲线生成功能（通常由PLC处理）的整个控制回路都集成在冷侧的单个SoC中。这种架构可通过集成节省更多成本，并消除SoC之间接口的相关延迟。解决方案Sitara处理器系列的SoC可满足从独立工业通信模块到本章所讨论系统分区的全功能多轴伺服驱动器的所有需求。图 5显示了使用Sitara、Hercules和C2000 微控制器系列中的不同处理器可以实现的解决方案。SitaraAMIC处理器包含PRU-ICSS子系统，并已针对独立的多协议工业通信模块进行了优化。Sitara系列的其余产品集成了PRU-ICSS子系统以及其他内核和外设以实现控制和通信。AM6x处理器系列提供基于Hercules微控制器的集成安全功能，为通信、伺服控制和某些级别的功能安全性提供了单芯片解决方案，集成度得到进一步提高。结论工业4.0引入了伺服驱动器的新准则和系统要求，因此，设计人员选择适合当前和未来伺服驱动器需求的解决方案非常重要。SitaraAM65处理器之类的器件同时包含Cortex-A和Cortex-R内核并支持100Mbps和1Gbps工业联网功能，能够满足现有和未来伺服驱动器的需求。TI还提供多种产品，包括其他Sitara处理器和C2000微控制器，旨在满足工业市场不断变化的需求。TI 的伺服驱动器产品SitaraAMIC110 ProcessorPructGroup NameProduct No.SitaraAM335x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM437x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM57x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM6x Arm ProcessorsPructGroup NameProduct No.HerculesMCUPructGroup NameProduct No.C2000 F2837xDelfinoMCUPructGroup NameProduct No.C2000 F28004xPiccoloMCUPructGroup NameProduct No.产品 AMC110 处理器AM335x处理器AM437x 处理器AM57x 处理器AM6x Arm 处理器HerculesMCUC2000 F2837x Delfino MCUC2000 F28004x Piccolo MCU安全集成的功能安全特性4 4 4 4 工业 4.0 服务时间敏感型网络(TSN)4集成安全特性4 4 4 4 4 4 预测维修4 4 4 4 4 4 控制高速串行接口4 4 4 4 集成伺服电机控制4 4 4 4 通信工业以太网 多协议多协议多协议多协议多协议EtherCAT图4.使用Sitara处理器在冷侧实现完全伺服控制。ReinforcedisolationboundarySitaraC2000/FPGAAnalog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control board(low voltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfaceSpeedloopPositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMSM图5.适用于伺服驱动器的TI处理产品。工业机器人设计工程师指南 13 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第 2 章：机器人系统控制器2.2机器人系统的伺服驱动器2.2.1隔离式栅极驱动器的影响随着全球范围内信息交换和城市化的发展，对电源管理的需求比以往任何时候都更加重要。因此，高效可靠的系统必须使用具有先进智能性的电力电子器件，以便满足功耗需求。需要满足这些要求的几种日常应用包括数据中心、电信基站、工业自动化、电机驱动器和电网基础设施。每种应用都有自己的功率级别要求、拓扑以及适合的电源开关选择。例如，数据中心和电信应用使用功率金属氧化物半导体(MOSFET)的原因很简单，即这些应用需要在提高系统功率密度的同时加快开关速度。另一方面，工业自动化和电机驱动器由于具有高电压要求和更高的功率水平，通常会部署绝缘双极栅极晶体管(IGBT)。诸如光伏逆变器之类的电网基础设施设备可以根据逆变器类型和功率水平来灵活选择任何电源开关。这些应用涉及人机界面(HMI)。此外，诸如控制器和通信外设之类的智能系统需要保护以免受大功率和高压电路的影响。这是通过隔离实现的。而且，将隔离电路与电源传输组件集成在一起有助于减小系统尺寸并降低成本。一种主要趋势是将栅极驱动器与称为隔离式栅极驱动器的隔离器（执行隔离功能的器件）集成在一起。这种逐渐形成的主要趋势使得这些系统级特性极具吸引力。本电子书的这一节涵盖两个方面。第一个方面是了解隔离式栅极驱动器为何变得如此具有吸引力（通过了解某个应用领域即可看出这一点）。第二个方面是确定在电源开关中使用隔离式驱动器的要求。为何使用隔离式栅极驱动器？数据中心应用 信息交换和检索的需求与应用无处不在。例如，在使用智能设备时不能浪费一分一秒。看看社交媒体、讯息或电子邮件中有些什么内容。所有这一切都在云中发生。这种云是全球实时连接的主力军。云实际上位于数据中心内。与数据中心之间往返的信息通过光缆或同轴电缆之类的线路传输，或者通过电信基站以无线方式传输。数据中心内部包含电源传输单元，通常称为“电源”。信息存储在称为“云服务器”的服务器中。这些服务器需要强大的功能来存储信息并与用户之间相互检索信息。这些电源单元的功率范围在几百瓦到几千瓦之间。它们使用电网（数百伏范围的交流线路电压）。因此，它们被称为高压单元。为了提高服务器效率，需要使用几种低压组件，例如控制器和通信组件。而且，这些服务器在出售时有标定的效率额定值，因此必须遵循这些额定值。此外，在云运行期间，人类通过HMI与服务器进行交互。必须避免任何击穿以及电流从高压单元泄漏到HMI中的情况，因为这种问题可能损坏所有低压组件，例如控制器和通信组件。解决办法是隔离 作为一种半导体集成电路(IC)，隔离器件允许数据和电力在高压和低压单元之间传输，同时可以防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流从电网中流出。一个众所周知的例子便是雷击。通过隔离可以打破在具有高能量流的电路中形成的接地环路。隔离方法有若干种。在所有隔离方法当中，电流隔离是针对巨大电位差提供保护的一种隔离方法。工业机器人设计工程师指南 14 2Q 2020 I 德州仪器(TI)第 2 章：机器人系统控制器这种电力需求每天都在持续增加。不仅如此，人们希望立即收到这些信息。这意味着，随着数据需求的增加，数据中心的容量也在与日俱增；因此，电力输送系统需要提供越来越多的电力。但是，数据中心的机房空间有限。扩大机房空间的成本高昂，非常不经济。解决此需求的一种方法是增加功率密度并确保隔离可靠性。为实现此目的，可显著提高电源效率并增大电力传输率（也称为开关频率，以kHz为单位）。此改进有助于减小电源单元的尺寸。通过将隔离器与关键电源组件（即高速栅极驱动器）集成在一起，可以实现隔离可靠性。这种集成器件便是大家所知道的隔离式栅极驱动器。栅极驱动器功能 为了进一步了解这种集成解决方案的价值，首先需要了解如何使用栅极驱动器。栅极驱动器在采用开关模式电源的系统中实现，其中的电源开关在 ON 和 OFF 模式下工作，因此理论上在高开关频率下具有零功耗。两种常用的电源开关是功率 MOSFET和IGBT。开关模式电源在基于控制器的闭环电源拓扑中运行。对ON/OFF状态的控制在这些开关的栅极上进行，旨在调节电压和通过开关的电流。让我们以功率MOSFET为例。图1 说明了栅极端子的工作原理。图1.控制电源开关中的栅极端子。首先，栅极(GATE)端子控制MOSFET的ON/OFF状态。VGS表示栅极与源极之间的电压。要开启(ON)，请施加正电压，VGS阈值电平.要关闭(OFF)，请降低VGS5kW)光伏逆变器等应用的开关频率范围为5kHz至20kHz。对于此类使用IGBT的大功率应用，必须具有良好的保护方案和较高的驱动器侧电源电压，从而确保您的设计能够耐受这些应用中的恶劣环境。隔离式栅极驱动器的一个独特参数是CMTI；在较高开关频率下运行系统时必须考虑这一参数。CMTI表示栅极驱动器IC中的隔离器承受其两个接地端之间的高压摆率电压瞬变而不会破坏其中所通过信号的能力。CMTI较高意味着隔离式栅极驱动器可用于高开关频率应用中。而且，随着诸如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽带隙开关的出现，CMTI正在成为隔离式栅极驱动器可能最重要的参数。尤其是，SiCMOSFET凭借其出色的材料性能，已成为电力电子领域的颠覆性解决方案，因此在高电压、高功率应用中产生了各种节能、可靠且紧凑的系统。随着电动汽车和可再生能源电力系统的出现，这些应用越来越引起人们的关注，进而使得SiC的栅极驱动器要求非常关键。TI拥有一个隔离式栅极驱动器系列UCC217x，其具有用于SiCMOSFET的快速集成式感应能力。UCC217x系列充分利用TI的电容隔离技术，最大限度延长绝缘栅的使用寿命，同时还提供高增强隔离等级、快速的数据速度和高密度封装。这源于TI的电容隔离层和具有极高介电强度的绝缘体(SiO2)。每个电容隔离层都使用