簡介
製造和服務業對自動化程度的需求不斷增加，推動了人形機器人的開發。人形裝置變得更加複雜和精確，其對周圍環境的自由度 (DOF) 更高，反應時間（以毫秒為單位）更短，以更好地模仿人的移動。圖 1 顯示人形機器人的典型馬達和動作功能。
圖 1 顯示添加到人形機器人 DOF 的位置擁有更高的 DOF 代表人形機器人需要更多電動馬達驅動器。機器人設計中的驅動器位置定義了驅動器的不同要求。部分主要規格如下：
- 通訊介面架構
- 位置感測
- 馬達類型
- 馬達控制演算法
- 功率級要求
- 電子電路尺寸
- 功能安全考量
雖然有協作機器人和工業機器人的標準，但目前還沒有定義人形機器人功能安全要求的標準。預期未來標準組織會隨著需求持續增加，規定人形機器人的安全要求。在定義安全要求之前，人形裝置設計人員必須對目前的系統設計進行盡職調查，以將未來的重新設計工作降到最低。ISO13482 ， ISO10218 和 ISO 3691-4 可闡明未來的預期。
通訊介面架構
由於機器人中驅動器的位置，最佳化與所有驅動器的通信，同時最大限度地減少布線量非常重要。實現最佳化的選項很多；最常用的方法是菊輪鍊通信和線性匯流排拓撲，如 圖 3 和 圖 3 所示。
圖 2 菊鍊通訊
圖 3 線性匯流排拓撲結構選擇拓撲結構後，要獲得足夠的驅動器響應時間，請考慮頻寬，時序和延遲要求。回應時間可根據定義的資料訊框大小，決定所需的即時通訊協定。通訊介面的頻寬需求也會受到如何在分離式馬達驅動器，集中式與外部機器人動作控制器之間分割馬達控制演算法，以將節點間所需通訊框架尺寸降到最低的決定影響。
一般而言，通訊系統的最小頻寬需求約為 8Mbit。然而，隨著設計趨勢不斷演進，趨勢顯示對系統診斷與安全功能的需求也與日俱增。
視系統需求而定，人形裝置系統中通常使用的通訊介面為 CAN-FD 或乙太網路 (含 EtherCAT)。TI 提供實體層 (PHY) 收發器和專為啟用這些通訊協定而設計的嵌入式處理器。
位置感測
人形機器人的動作必須接收馬達位置資料，以定義路徑規劃。位置資料可讓人形機器人以受控方式移動。為了實現高精確度的受控移動，機器人必須配備轉子位置感測器以擷取馬達上的資訊，並能透過馬達驅動器有效率地將資訊傳送至中央處理電腦。根據馬達所需的精密度，使用各種轉子位置感測器。以下是一些最常用的編碼器：
- 光學編碼器
- 磁性編碼器
- 增量式編碼器
- SIN/COS 解析器
這些編碼器具有不同的介面，可連接至驅動器，並提供執行位置控制所需的轉子角度資料。這些介面需要特定硬體，因此馬達控制處理器需要支援至少下列其中一種編碼器配置：
- 專業序列介面，如 BiSS、 Endat、Hiperface 或其他數位絕對編碼器
- 具有解析器介面的取樣和保持功能的 ADC 轉換器
- 適用於增量編碼器的正交編碼器脈衝
- 用於介接磁性編碼器的序列介面
一個馬達可能需要多個編碼器，視馬達和馬達傳動的實作方式而定。TI 同時提供類比和處理器 IC ，以啟用編碼器介面系統。位置感測方式採用RS -485 與 RS -422 收發器及多軸線性與角度位置感測器。
馬達類型
由於人形機器人是由電池供電，因此馬達驅動器的設計可將效率最大化，以延長機器人的運作時間範圍。
在使用高功率位準時，人形機器人可整合 PMSM 馬達等馬達。有刷 DC 馬達可用於部分低功耗情況，例如手動和手指控制。然而，目前的設計趨勢顯示未來所有馬達都將採用無刷設計。
PMSM 馬達有兩種選擇：梯形或正弦繞組。這種繞組和控制演算法的選擇會影響馬達控制的精確度。
馬達設計的另一個重要主題是選擇更快速切換 FET ，進而產生可提升馬達每重量扭力的全新設計選項。
馬達控制演算法
選擇馬達類型後，使用者決定如何控制馬達的方法。雖然馬達控制通常與圖 4中所示相似，但實作控制迴路有多個選項，其中顯示所需的類比子系統和處理器周邊設備。
圖 4 機器人控制的即時通訊計時需求用 圖 4 作一般範本，表 1 列出在選擇演算法 FOC 或區塊整流時所需的周邊設備和性能。
| 馬達類型 | 有刷馬達 | 梯形 PMSM | 正弦 PMSM |
|---|---|---|---|
| 半橋 | ×2 | ×3 | ×3 |
| 電流感測 | ×1 | ×1 | ×2 至 ×3 |
| 電壓感測 DC 鏈路 | ×1 | ×1 | ×1 |
| 角度感測器準確度 | ≤1° | 60° | ≤1° |
| 處理能力 | 低等 | 低等 | 中 |
| 效率 | 低等 | 中 | 高等 |
TI 擁有許多不同的 MCU ，皆符合演算法與角度感測器需求，重要的因素為 IC 的尺寸，以及實現高性能驅動系統的即時能力。C2000 即時微控制器和 ARM 微控制器用於馬達控制演算法。
功率級要求
根據機器人的驅動位置，功率水平在 4kW 至 10W 之間變化，大多數驅動器介於 10W 和 1.5kW 之間。
驅動器通常在低於 60V 的 SELV 電壓範圍內運作。因此，元件必須在高達 60V 電壓下運作。為降低放大器、FET 及閘極驅動器系統中潛在雜訊的影響，以高達 100V 運作的元件為佳。定義驅動器的電氣規格後，還有其他設計注意事項。
可實作印刷電路板 (PCB) 的實體尺寸是另一項設計考量。小尺寸 IC 和高度最佳化的功率密度設計，是實現小空間設計目標的關鍵。高功率密度會造成機器人潛在的溫度限制，機器人外部不得超過 55°C。在 55°C 下， 30 秒內就會發生全厚度皮膚灼傷。溫度管理方法不得包括風扇或液體等額外冷卻。
溫度管理與空間之間的平衡，則需在功率級與每尺寸瓦特數間取得平衡，進而影響功率級架構。其中一個可能會產生的問題是功率級是否需以更高的頻率運作。此問題通常會出現在 MosFET 中，但與 MosFET 架構系統相比， GaN FET 等新技術也可提升切換性能。就溫度敏感系統而言， GaN FET 的理論效率較高，因為與 MosFET 技術相比，切換損耗最小。頻率增加會導致 MCU 需要其他功能，以支援必要的訊號，以足夠高的解析度實現更高的頻率切換。
TI MosFET 閘極驅動器能讓客戶以最高速度切換 MosFET ，而 TI 低電壓 GaN FET 則能讓客戶快速比較並考量機器人中各位置的最佳 FET 類型。
需要高性能 MosFET 或 GaN FET 來實作驅動，進而提升馬達效率。精密的演算法有助於減少馬達 FET 的切換需求與損耗。
人形機器人由電池供電，電壓通常為 48V，或約介於 39V 至 54V 之間，待電池充電狀態開始前。使用的電壓取決於電池電量設定為最小使用量的級別。在提到驅動器在 39V 時所需的最大功率為 4kW 之前，可以看出機器人驅動器需要在約 102Arms 電流下進行最大工作以提供所需功率，但也需考量 0A 附近的精確測量，因此減少 FET 的失效時間也有利於 0A 周圍的電流量測線性度，使低電流時的測量更為精確。
在評估功率級需求和選擇適當電流感測零件以達到所需性能等級時，電流感測也是重要的設計考量。
TI 提供同相電流感測與低壓側電流感測類比選項，以及如何有效實作系統的設計指南。通常會使用同相電流感測，以隨時維持電流並提高量測精密度。有三種不同的電流測量選項：
| 電流感測放大器 | Δ Σ 調變器 | 霍爾感測器 | |
|---|---|---|---|
| 精密度 | 中 | 高等 | 低等 |
| 電流等級 | 50 A | 50 A | 100 A |
| PCB 難度 | 中 | 中 | 低等 |
就電流感測放大器與 Δ Σ 調變器而言，由於元件經過改良，這些技術的電流位準使用會緩慢移至 100A 左右。
功能安全
規劃未來設計時，選擇可簡化功能安全認證的裝置非常重要。ISO13482 、ISO10218 和 ISO 3691-4 標準闡明我們對人形裝置未來的預期。C 類標準 (ISO10218 和 ISO3691-4) 均提及 ISO13849 ，說明系統必須為 PLd。但是， ISO3691-4 的架構由實施者自行決定，而 ISO10218 則強制要求採用 CAT3 架構。考量這些標準中的最糟情況，人形機器人必須考量至少 CAT3 個 PLd 安全考量。執行 CAT3 系統時，圖 5 中所示的安全架構必須就位。
圖 5 IEC13849-1 ： 2015 圖 10 中的插圖TI 提供許多裝置與内容豐富的安全說明文件，讓客戶能夠建置安全啟用的系統。
範例系統
在圖 6，方塊圖顯示了採用 TI 元件解決 1.5kW 系統設計的解決方案建議，可使用下列元件。
圖 6 展示系統實作的潛在零件的馬達驅動器解決方案如需詳細零件資訊，請參考下列 TI 設計和 EVM 以查看系統級性能結果：
摘要
人形機器人驅動器的設計需要考量精確性、靈活性和創新。德州儀器提供全方位的積體電路代表產品，讓工程師能夠在打造能夠與機器人環境無縫互動的機器人時，符合各種設計規格。TI 擁有廣泛的評估模組，參考設計和安全認證裝置，可簡化開發程序，協助加快上市時間，並有信心地獲得功能安全認證。與 TI 合作，將幫助您實現更智慧，更快速且更安全機器人的願景。