自主移動機器人 (AMR) 和自動導引車 (AGV) 是具有移動、感知和連接能力的無人機器人，用于運輸和移動各種重量和尺寸的負載，以及執(zhí)行其他功能。此類機器人通常由電池供電，典型電池電壓在 12 V 至 48 V 之間。根據(jù)所采用的技術和預期用途，此類機器人系統(tǒng)可以與人類進行不同程度的交互，比如在人員周圍安全運作，與人員進行高效的合作和協(xié)同工作。為幫助工程師更好地解決設計難題，智能移動機器人系統(tǒng)方案指南重磅上線！本文為第二部分，將介紹方案概述、系統(tǒng)描述等。

方案概述

頂層拓撲

下面的框圖代表了安森美 (onsemi)創(chuàng)建的智能移動機器人方案。

大多數(shù)功能塊器件可從安森美購得，如下面的器件表所示。

系統(tǒng)描述

電池充電器

電池充電器不屬于機器人的組成部分（非機內(nèi)部件），電池充電器的典型功能包括將單相 120 - 230 Vac 轉(zhuǎn)換為 12-48 V 電池電壓。更高功率的機器人可以使用三相交流電來減少充電和閑置時間。充電器可以是有線的，也可以是無線的；機器人可以在充電站充電，也可以使用機會充電。

機會充電（也稱為過程中充電）是指對電池進行短時間充電，而不是一次性將電池完全充滿。使用機會充電時，電池無需完全放電，機器人也無需因為要長時間充電而暫停工作。此外，機會充電讓機器人可以使用更小的電池，從而進一步降低系統(tǒng)的成本和重量。機會充電可以在工作站、裝卸站等地方進行。

在某些情況下，系統(tǒng)可能會使用換電方法來盡量減少停機時間。這對于戶外流程是有益的，但需要額外的電池，因而會增加前期投資。

AC/DC 充電器通常由兩個子系統(tǒng)組成：PFC 級和 LLC 轉(zhuǎn)換器。

功率因數(shù)校正 (PFC) 通過改善功率因數(shù)來提高轉(zhuǎn)換效率。為此，需要對輸入電流進行整形，使其跟隨輸入電壓，從而減少諧波。PFC 級提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，優(yōu)化了后續(xù)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設計，可以使用范圍較窄的直流輸入。

LLC 是一種諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可在快速切換的同時降低晶體管損耗。兩個電感器和一個電容在開關頻率下產(chǎn)生諧振，使得晶體管能夠在過零點處切換，從而減少損耗。

方案概述

功率因數(shù)校正

PFC 級是一個 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)方式通常是在整流橋和輸入電容之間插入升壓轉(zhuǎn)換器級。目標是對輸入電流進行整形，使其匹配輸入電壓的形狀。

顯然，橋式二極管會產(chǎn)生很大的損耗，因為其損耗呈線性函數(shù)關系，會隨著功率輸出的增加而增加。圖騰柱 PFC 用有源開關代替二極管，從而降低了損耗。

圖騰柱 PFC

減少電源開關數(shù)量

快速橋臂傾向于采用寬禁帶半導體，目的是提高效率

控制方式比升壓 PFC 復雜

最佳效率 - 傳導路徑中只有兩個器件

大功率應用 (>300W) 的首選

圖 1：圖騰柱 PFC 原理圖

功率因數(shù)控制器 NCP1680

無橋圖騰柱 Crm（臨界導通模式）PFC 控制器

恒定導通時間 Crm 和谷底同步頻率折返，可在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)效率優(yōu)化

交流電壓監(jiān)測和交流相位檢測

新穎的谷底檢測方案和零電流檢測

逐周期限流，無霍爾傳感器 - 減少外部元件

最適合功率水平 <350W 的應用

圖 2：臨界導通模式

圖 3：連續(xù)導通模式

功率因數(shù)控制器 NCP1681

無橋圖騰柱多模式 PFC 控制器

固定頻率 CCM（恒定導通模式），具有恒定導通時間 CrM 和谷底開關頻率折返功能

專有電流檢測方案

專有谷底檢測方案

非常適合高功率多模式應用，最高 1kW，CCM >2.5kW

LLC 轉(zhuǎn)換器

通過諧振轉(zhuǎn)換器拓寬軟開關的范圍，以提高效率

由于開關頻率更高且開關損耗更低，因此十分高效

復雜的控制算法和諧振儲能電路設計

良好的 EMI 和低輸出紋波

所有電感器均可集成到單個磁結構中，節(jié)省面積和成本

圖 4：LLC 轉(zhuǎn)換器原理圖

離線控制器 NCP4390

次級側 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，帶同步整流器控制，采用 SOIC-16 封裝

雙邊沿跟蹤的同步整流控制

寬工作頻率范圍 (39kHz ~ 690kHz)

通過補償削減（頻移）實現(xiàn)零電壓開關 (ZVS) 預防 (NZP)

初級側開關和 SR 開關的死區(qū)時間可編程

系統(tǒng)描述

電池系統(tǒng)和電源樹

電池、電池管理和電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是機器人的機載部件。

電池要求根據(jù)具體情況有所不同。通常，移動機器人使用鋰離子或磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池更為常見，能量密度更高。磷酸鐵鋰電池則更穩(wěn)定，不易過熱，標稱電壓較低。

電池容量和電壓取決于所需的有效負載、行駛距離和充電類型。最常用的是 12-48V 電池系統(tǒng)，它們可以并聯(lián)以提升性能。

典型的 24V 電池容量約為 50Ah，重量約為 10kg。

電源樹為系統(tǒng)中的所有邏輯電平和低壓供電軌供電。通常，它不需要隔離（電池電壓低于 50 V），實現(xiàn)方式為使用多個并聯(lián)降壓轉(zhuǎn)換器并與低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 結合。

電源樹利用 SMPS（開關電源）和 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）的組合，為子系統(tǒng)提供所有需要的電壓水平。圖 5 中的框圖顯示了這種電源樹的示例。

根據(jù)所需電流，可以使用 FAN6500x 系列降壓轉(zhuǎn)換器。

此外，各種子組件（如柵極驅(qū)動器或圖像傳感器）可能需要精確的（甚至多個）電壓水平，而電流消耗相對較低。對于此類情況，安森美的 LDO 是理想方案。

圖 5：電源樹框圖示例

轉(zhuǎn)換器FAN65008B

集成高邊和低邊功率 MOSFET 的同步降壓調(diào)節(jié)器。包含固定頻率電壓模式 PWM 控制器。

提供寬范圍的電壓轉(zhuǎn)換，輸出電流 > 2A 時效率超過 95%，如圖 6 所示。

關鍵特性：

寬輸入電壓范圍：4.5V 至 65V

10A 連續(xù)輸出電流

可編程開關頻率：100kHz 至 1Mhz

熱關斷、欠壓鎖定、過載和短路保護

圖 6：FAN65008B 在不同輸出電壓下的負載效率

安森美提供一套完整的工具，幫助客戶為應用選擇最合適的 LDO。

Web Designer+

使用在線 Web Designer+ 電源設計工具來設計電源。根據(jù)應用需求，選擇最適合的安森美定制產(chǎn)品。幾秒鐘內(nèi)，我們就能為您驗證數(shù)百種可能的方案，助您選出最合適的方案。這款工具易于使用，可幫助您節(jié)省時間和精力。

連接（取代 CAN）

AMR 中的 CPU 和所有構建塊需要相互通信。通信手段有許多種。傳統(tǒng)上，使用的是 CAN、LIN、RS-485、RS232 和許多其他方式。所有這些都可以用 10Base-T1S 取代。

它是 IEEE 在 802.3cg 第 147 條規(guī)范中指定的以太網(wǎng)協(xié)議。借助 10BASE-T1S，僅使用一根雙絞線便可將多個 PHY 連接到公共總線。這減少了所需的交換機端口數(shù)量，并且無需網(wǎng)關。由于 10BASE-T1S 只需要一根非屏蔽雙絞線，因此布線成本也大大降低。

此外，10BASE-T1S 的通信速度可達 10Mbps，高于迄今為止的許多方案（例如，LIN 最高為 20Kbps，CAN 最高為約 1Mbps）。

任何節(jié)點都可以向/從任何其他節(jié)點發(fā)送/接收以太網(wǎng)幀，類似于傳統(tǒng)的以太網(wǎng) LAN。

在多分支拓撲（如圖 7 所示）中運行時，物理層沖突避免 (PLCA) 特性可以避免數(shù)據(jù)包沖突。節(jié)點會根據(jù)各自的 ID 輪流（一次一個）在總線上進行傳輸。PLCA 周期不是固定的，取決于待處理的數(shù)據(jù)。

圖 7：多分支與點對點網(wǎng)絡拓撲

以太網(wǎng)控制器 NCN26010

10Mb/s 工業(yè)以太網(wǎng) MAC+PHY IC 控制器

符合 10BASE?T1S – IEEE 802.3cg 標準

集成 MAC 和 10BASE-T1S PHY

PLCA 突發(fā)模式 – 如果某個節(jié)點需要發(fā)送比所有其他節(jié)點都多的數(shù)據(jù)，則允許該節(jié)點在每次 PLCA 傳輸機會中發(fā)送更多幀

支持 8 個以上節(jié)點，UTP 線纜傳輸距離超過 25m

增強抗噪聲能力

全局唯一 MAC 地址

32 引腳 QFN 封裝

圖 8：10BASE-T1S MACPHY 開發(fā)套件演示了基本功能并支持開發(fā)軟件

方案概述

智能防護

eFuse 和 SmartFET 等智能防護功能可提高效率和可靠性，并減少機器人停機時間。

eFuse 是一種自保護、可復位的電子保險絲。它通常監(jiān)視輸入/輸出電壓、輸出電流和溫度。eFuse 可提供過電流、過壓和高溫保護。它可以防止下游器件、連接器和 PCB 走線受損。eFuse 可用于熱插拔情況以及需要限制浪涌電流的情況。

SmartFet 可用于保護低壓供電軌（如 12V）。它提供短路保護功能，可應對浪涌電流，并提供熱關斷和自動重啟功能，以防止高溫。此外，它還具有過壓保護功能。

電流保護 NIS3071

四通道 eFuse

四個獨立通道，每個通道支持最高 2.5A、60V

高度可擴展 – 可以組合輸出以將限流值提高至 10A，參見圖 9

每個通道均有熱保護功能

數(shù)字使能、公共故障引腳

可調(diào)導通時間控制

可調(diào)過電流限值

圖 9：NIS3071 可擴展性

受保護的 MOSFET NCV84045

受到全面保護的單通道高邊驅(qū)動器，具有高級保護功能

CMOS 兼容控制輸入

最高 32A 輸出電流

超低 RDSON 50mΩ（典型值）

電流檢測輸出診斷反饋 – 圖 10

用于電感切換的集成箝位

接地損耗和 VD 保護損耗

ESD 保護、短路保護

圖 10：差異化 CS 輸出電流 – 根據(jù)故障類型，電流檢測的輸出電流水平不同

CPU

中央處理器 (CPU) 是整個系統(tǒng)的“大腦”，負責系統(tǒng)內(nèi)部以及與外部環(huán)境的所有通信。根據(jù)系統(tǒng)的復雜性，CPU 需要具有足夠的算力。

為了構建機器人，可以使用機器人操作系統(tǒng) (ROS)，這是一個開源的軟件開發(fā)套件 (SDK)，提供了構建先進機器人系統(tǒng)所需的組件、接口和工具。

同步定位與地圖構建 (SLAM)

SLAM是一種用于創(chuàng)建未知環(huán)境地圖的方法。移動機器人利用 SLAM 算法在周圍環(huán)境中進行自主導航，適用于 2D 和 3D 運動。SLAM 利用激光雷達、立體視覺、飛行時間傳感器等傳感器及組合實現(xiàn)，沒有它，機器人無法設置最佳路徑，效率和電池壽命會受到影響。

SLAM 需要執(zhí)行的工作包括：

動態(tài)環(huán)境建模，使用深度和環(huán)境感知數(shù)據(jù)；

地圖構建，表示環(huán)境中的障礙物；

障礙物檢測和跟蹤，使用深度和環(huán)境感知數(shù)據(jù)；

航位推算，估計行駛方向和距離來計算位置；

最佳路徑規(guī)劃和導航，計算并執(zhí)行路徑避免障礙物；

定位和定向，根據(jù)環(huán)境中的已知點進行自我定位；

航跡推演，使用運動傳感器數(shù)據(jù)估計位置變化。

系統(tǒng)描述

運動和執(zhí)行器控制

機器人的運動通常基于輪子，也可能包含機械臂或負載提升，這些通常依賴于無刷直流 (BLDC) 電機。BLDC 電機的精確控制需要復雜算法，電機驅(qū)動器必須高效、緊湊且功耗低。這是智能機器人系統(tǒng)的關鍵子系統(tǒng)，也是主要的功耗源，系統(tǒng)必須高效、緊湊和輕便以延長機器人運行時間。

BLDC 控制使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號來確定開關狀態(tài)，這稱為變頻驅(qū)動 (VFD)。電機控制器可以是全集成式的，內(nèi)置控制算法，或需要專用微控制器 (MCU) 實現(xiàn)控制算法。安森美提供多種分立產(chǎn)品用于 VFD 解決方案，如 MOSFET、IGBT、柵極驅(qū)動器和二極管。

集成更多部件的模塊，如功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM)，可減少組件數(shù)量和節(jié)省空間，這些模塊可以在安森美的產(chǎn)品組合中找到。

BLDC 控制方案的另一個重要部分是感知，為了準確換向，必須知道定子位置，這可以通過霍爾傳感器或電感傳感器實現(xiàn)，后者是一種新穎的解決方案，將在后續(xù)文檔中詳細描述。

圖 11：BLDC 控制功能塊原理圖示例

方案概述

柵極驅(qū)動器和 MOSFET

MOSFET 必須由柵極驅(qū)動器來驅(qū)動，因為 MCU 或控制器無法直接驅(qū)動 MOSFET。柵極驅(qū)動器可以是單個半橋，驅(qū)動一個高邊和一個低邊 MOSFET，也可以包含三個半橋柵極驅(qū)動器，控制所有三個電機相。集成多種特性的單片三相柵極驅(qū)動器正在興起，并成為發(fā)展趨勢。安森美提供出色的中壓 (MV) MOSFET，電壓范圍從 40V 到 150V，采用多種先進封裝，是機器人電機應用的理想方案。根據(jù)工作電壓和驅(qū)動電流，可以參考圖 12 和 13 來選擇合適的柵極驅(qū)動器和 MOSFET 系列。

圖 12：安森美 BLDC 控制柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合的能力

柵極驅(qū)動器 NCD83591

三相柵極驅(qū)動器，工業(yè)應用的理想之選

工作電壓范圍：5-60V

FET 恒流驅(qū)動，電流最高可達 250mA

高達 30kHz 的電機 PWM，具有單獨的六柵極控制模式

集成保護：欠壓鎖定，HBM 和 CDM ESD，功率損耗期間內(nèi)部柵極下拉

28 引腳 QFN

恒流驅(qū)動提供相同的開關凈過渡時間，但省去了串聯(lián)柵極電阻的成本，并且所需的驅(qū)動電路更小。無串聯(lián)柵極電阻也有助于防止自導通。

圖 13：用于 BLDC 控制的安森美 MOSFET 產(chǎn)品組合

MOSFET NTMJST2D6N08H

2.8m? RDS(ON)

80V VDS

低電容和柵極電荷 – 降低開關損耗

TCPAK57 封裝 - 降低 PCB 溫度，因為熱量從頂部消散，PCB 利用率更高

圖 14：40V MOSFET 的 RDS(ON) 比較

MOSFET NTMFS0D4N04XM

出色的 T10M 系列 40V MOSFET，適用于 BLDC 電機驅(qū)動

0.42m? RDS(ON) – 降低導通損耗

5mmx6mm 封裝

優(yōu)越的軟化恢復能力，低電壓尖峰，減少應力和 EMI 問題