第 1 章：簡介

德州儀器 (TI) 的模擬和嵌入式技術(shù)以及參考設計可幫助工程師開發(fā)智能、自主和協(xié)作的機器人。本電子書旨在一站式提供與機器人技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。

利用我們的技術(shù)可以構(gòu)建多種類型的工業(yè)機器人，實現(xiàn)精確的電機控制、差異化的傳感技術(shù)和邊緣處理功能，以及強大的實時通信。本電子書中討論的機器人的主要類型是協(xié)作機器人和工廠機器人：

• 協(xié)作機器人與人類并肩工作，以提高工作質(zhì)量。協(xié)作機器人可以檢測并停止運動，從而幫助創(chuàng)建一個更安全的工作環(huán)境。

• 工廠機器人在制造過程中執(zhí)行自動可編程動作。為了創(chuàng)建一個更安全的工作環(huán)境，機械或傳感器技術(shù)有助于防止機器人干擾人類活動。

• 工業(yè)機器人有六種類型：

• 垂直關(guān)節(jié)型。

• 笛卡爾坐標型。

• 圓柱坐標型。

• 球坐標型。

• 選擇順應性裝配機器手臂機器人 (SCARA)。

• Delta 機器人。

所有這些機器人類型都提供了具有不同軸配置的機械手，并包括使機器人能夠管理其任務的電子內(nèi)容。任務管理的進步由軟件、傳感器和電子技術(shù)共同推動，并在過去 50 年中推動了工業(yè)機器人市場的發(fā)展。

本電子書匯集了技術(shù)文章、白皮書和應用手冊，介紹了適用于這些工業(yè)機器人系統(tǒng)構(gòu)建塊的 TI 技術(shù)：

• 機器人控制器系統(tǒng)。

• 機械手（機械臂）/驅(qū)動系統(tǒng)。

• 傳感和視覺技術(shù)。

• 末端執(zhí)行器（機器人工具）。

1.1 工業(yè)機器人系統(tǒng)簡介
在介紹典型機器人系統(tǒng)中使用的不同技術(shù)之前，讓我們先討論一下機器人系統(tǒng)的不同組成部分，如圖 1 所示。您可以看到，該系統(tǒng)分為不同的構(gòu)建塊：控制器系統(tǒng)、機械手、示教器、視覺和傳感器以及末端執(zhí)行器（機器人工具）。

?

圖 1.采用協(xié)作機器人的機器人系統(tǒng)。

國際標準化組織 (ISO) 8373:2012 標準描述了圖 1 所示的各個構(gòu)建塊，并定義了與工業(yè)和非工業(yè)環(huán)境中運行的機器人和機器人設備相關(guān)的術(shù)語：

• 控制器系統(tǒng)。ISO 8373 標準規(guī)定：“一組邏輯控制和電源功能，可以監(jiān)測和控制機器人的機械結(jié)構(gòu)并與環(huán)境 [設備和用戶] 進行通信。”它是機器人的大腦，可包括運動控制器、內(nèi)部和外部通信系統(tǒng)以及任何潛在的功率級。

• 機械手.ISO 8373 標準還規(guī)定：“一種機器，其機構(gòu)通常由一系列相互連接或滑動的部分組成，目的是通常在幾個自由度或軸上抓持和/或移動物件（零件或工具）。機械手不包括末端執(zhí)行器。”?? ? 機械手通常稱為機械臂。它是機器人的一部分，其定義了機器人配備的軸數(shù)，以實現(xiàn)執(zhí)行某一任務而需要進行的移動。

• 示教器.用于對工業(yè)機器人進行編程和教學的多功能便攜式設備。示教器通常由 LCD 觸摸面板、啟用按鈕和緊急停止按鈕組成。示教器連接到機器人控制器系統(tǒng)。

• 機器人末端執(zhí)行器。連接在機器人“手腕”或臂端工具(EOAT) 上的設備。系統(tǒng)控制器通過對簡單工具使用離散輸入/輸出 (I/O) 或?qū)Ω呒壍墓ぞ呤褂霉I(yè)通訊協(xié)議來控制機器人末端執(zhí)行器。

• 視覺和傳感器。機器人的這些器件能夠掃描周圍環(huán)境，并在人類接近時停止（對于工業(yè)機器人而言）或降低（對于協(xié)作機器人而言）機器人的速度。視覺/傳感是通過激光雷達(LIDAR)、基于雷達的安全區(qū)域掃描儀或 3D 攝像機來實現(xiàn)的。除了安全區(qū)域掃描儀之外，協(xié)作機器人有時還會穿戴基于傳感器的“安全皮膚”，當有人觸摸或接近機械臂時，它會停止機械臂。

在設計機器人系統(tǒng)的構(gòu)建塊時，需要了解機電一體化、機器人功能和電氣注意事項，并在開始實際設計之前熟悉規(guī)范。讓我們討論一下定義機器人系統(tǒng)架構(gòu)時的一些典型注意事項。

機器人應該執(zhí)行哪種類型的任務？
根據(jù)應用的不同，不同類型的機器人具有不同的優(yōu)勢。典型的工業(yè)機器人有：

• 關(guān)節(jié)型。這種機器人設計具有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)量從簡單的三軸結(jié)構(gòu)到 10 個或更多關(guān)節(jié)不等。機械手通過扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接到基座。旋轉(zhuǎn)軸連接機械手中的連桿。每個軸提供額外的自由度或運動范圍。

• 笛卡爾坐標型。這些也稱為直線型或龍門式機器人。笛卡爾坐標型機器人具有三個使用笛卡爾坐標系（x、y 和 z）的線性軸。它們可能具有一個實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的連接軸。三個平移關(guān)節(jié)便于沿軸線進行線性運動。

• 圓柱形.該機器人在基座上具有至少一個旋轉(zhuǎn)軸和至少一個連接到連桿的平移軸。旋轉(zhuǎn)軸使用沿軸線的旋轉(zhuǎn)運動，而平移軸使用線性運動。圓柱坐標型機器人在圓柱形工作環(huán)境中工作。

• 極坐標.球坐標機器人也稱為球形機器人。對于這些類型的機器人，機械手通過扭轉(zhuǎn)軸以及兩個旋轉(zhuǎn)軸和一個線性軸的組合連接到基座。軸形成球坐標系并創(chuàng)建球形工作環(huán)境。

• 選擇順應性裝配機器手臂機器人 (SCARA)。通常用于裝配應用中，這種選擇順應性裝配機器機械手在設計上主要是圓柱形的。它具有兩個平行軸，可在一個選定的平面內(nèi)提供順應性。

• Delta（增量）.這些蜘蛛狀機器人由連接到公共基座的有關(guān)節(jié)平行四桿機構(gòu)構(gòu)建而成。Delta 機器人的平行四桿機構(gòu)有三個軸。對于末端執(zhí)行器，它可以具有一到三個軸。平行四桿機構(gòu)在圓頂形的工作區(qū)域中移動單個 EOAT。該機器人配置廣泛用于食品、制藥和電子行業(yè)，能夠提供精細、精確的動作。

機器人的有效載荷（重量）和臂展是多少？
如果機器人要移動重物，則它需要在電機上施加足夠的力才能實現(xiàn)該功能。該力由電能產(chǎn)生，并從功率級提供給電機。此功率要求是確定機器人屬于高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)的其中一個因素。高壓機器人系統(tǒng)需要定義隔離架構(gòu)以確保安全運行。

電子設備會集中到系統(tǒng)控制器中嗎？
在集中式系統(tǒng)中，機器人控制柜包括控制機器人機械手的大多數(shù)電子模塊。圖 2 是一個集中式機器人的示例。

?

圖 2.集中式機器人系統(tǒng)示例.

圖 3.分散式機器人系統(tǒng)示例

在分散式系統(tǒng)中，這些模塊中的其中一些模塊將移至機器人機械手，以支持多種外形尺寸，包括機柜的外形尺寸、電纜等。圖 3 是一個分散式機器人的示例。

在分散電子內(nèi)容時，請務必記住，現(xiàn)在使用電子產(chǎn)品的環(huán)境與集中式系統(tǒng)的環(huán)境不同。這種環(huán)境變化需要對電子產(chǎn)品進行重新規(guī)范，并且通常需要對部分系統(tǒng)進行重新開發(fā)。

機器人的不同子系統(tǒng)之間將如何通信？接口要求是什么？
為了確保實時功能，需要定義子系統(tǒng)之間傳遞哪些控制參數(shù)，以及末端執(zhí)行器和機械手通信的參數(shù)重復率和延遲。

?

圖 4 包括了一些典型的機器人實時時序值。

現(xiàn)在，機器人可以移動了，它需要知道如何移動，這就引出了下一系列的問題。

?

圖 4.機器人控制的實時通信時序需求

編程接口是如何工作的？機器人將通過用戶界面還是通過任務編程進行操作？您是否需要一個額外的接口來連接示教器或操縱桿以啟用操作員功能？

在設計過程中盡早對這些問題做出答案很重要。圖 4 還包括一些運動控制時序的一些設計考慮?，F(xiàn)在，來看一下最后一個問題。

機器人是非自適應機器人還是自適應機器人？
非自適應機器人不會接收到來自環(huán)境的反饋，而是將按照編程程序執(zhí)行其任務。自適應機器人使用輸入和輸出數(shù)據(jù)來生成環(huán)境數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，機器人可以對環(huán)境變化做出反應，并在必要時停止其任務。

對于自適應機器人，定義機器人正在對其做出響應的環(huán)境數(shù)據(jù)非常重要。數(shù)據(jù)可能是預定義的參數(shù)，例如用于質(zhì)量定義的材料數(shù)量、尺寸或形狀?；蛘呖赡苁遣皇芸刂频膮?shù)，例如有人在機器人周圍走動或發(fā)生故障，當檢測到這些情況發(fā)生時會將機器人置于安全狀態(tài)。

自適應機器人需要一個傳感模塊。區(qū)域安全掃描儀或安全皮膚放置在機器人的基座或安裝在機器人頂部的某個位置。它可以監(jiān)控機械手的周圍區(qū)域，并防止人類或其他機器離機器人太近；如果他們離機器人太近，機器人就會停止或減速。

在設計機器人系統(tǒng)時，應該遵循全球和本地安全標準。不了解相關(guān)標準便開始設計工作可能會大大延遲產(chǎn)品上市時間。許多組織可提供咨詢服務，幫助您了解根據(jù)安全標準設計安全系統(tǒng)的硬件含義，這些組織包括技術(shù)監(jiān)督協(xié)會 (TüV) – 萊茵、TüV – 南德和 TüV – 北德。

結(jié)論
機器人是一個非常復雜的系統(tǒng)，在機電一體化和功能性以及電氣方面存在許多設計挑戰(zhàn)。在實現(xiàn)一個可行的工作系統(tǒng)前，您需要解決了這些挑戰(zhàn)或做出一些決定。

利用機器人系統(tǒng)的所有不同技術(shù)特性，德州儀器 (TI) 的模擬和嵌入式技術(shù)提供了許多不同的產(chǎn)品和設計，可以幫助解決與機器人有關(guān)的問題，實現(xiàn)智能、自主和協(xié)作機器人的開發(fā)。這本電子書匯集了技術(shù)文章、白皮書和應用手冊，它們均包括有助于幫您設計下一個機器人系統(tǒng)的技術(shù)。

第 2 章：機器人系統(tǒng)控制器
2.1 控制面板
2.1.1 將 Sitara? 處理器應用于工業(yè) 4.0 伺服驅(qū)動器
制造和自動化行業(yè)已經(jīng)使用了多年的伺服電機控制技術(shù)，但是工業(yè) 4.0 和智能工廠的興起加速了自動化系統(tǒng)的應用，進而增加了對具有更多功能、可控制更多軸并且更智能的伺服驅(qū)動器的需求。

以前，高端微控制器和大型現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 執(zhí)行低級控制算法，并提供外設以連接至驅(qū)動器輸出和電機反饋。但是，隨著設備變得更加智能且性能更高，伺服驅(qū)動器必須滿足的要求也在迅速變化。網(wǎng)絡通信、功能安全、預測性維護和可編程邏輯控制器 (PLC) 等功能已被引入到伺服控制板中，旨在通過取消外部板來優(yōu)化成本和空間。集成水平的提高和對更高性能的需求，促使設計人員尋求異構(gòu)處理器（例如 TI 的Sitara? 處理器）來滿足工業(yè) 4.0 應用的大部分（甚至全部）處理需求。

性能
在伺服電機驅(qū)動應用中，電機控制通常分為幾個控制回路層：電流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高級別的運動控制回路。這些回路通常以級聯(lián)的形式排列，每個回路都有自己的實時處理要求。電流或扭矩回路是最嚴格的控制回路。每個上游回路以其之前回路的倍數(shù)運行，并為下游回路提供輸入?yún)⒖?。圖 1 顯示了典型的級聯(lián)控制拓撲。

圖 1 中的模塊非常適合用于跨異構(gòu)處理器內(nèi)核或在處理器與微控制器之間進行邏輯分區(qū)。在多核處理器的不同內(nèi)核之間分散各個回路，可以使專用于每個回路的處理帶寬最大化。當處理器內(nèi)核接收到其控制回路輸入數(shù)據(jù)時，它可以盡快運行算法以使其完成，為下游回路提供參考值，然后繼續(xù)提供其他服務，直到準備好下一組輸入數(shù)據(jù)為止。

具有較高原始性能的處理器可以更快完成控制處理，并具有更多可用帶寬來提供其他服務和功能。32kHz 控制回路中的周期時間接近 31.25μs 時，或必須幾乎同時處理來自多個軸的輸入時，快速處理至關(guān)重要。

?

圖 1.典型的伺服電機控制回路技術(shù).

對于伺服控制的嚴格實時處理要求，有幾種選擇，包括數(shù)字信號處理器 (DSP)、FPGA 和標準 Arm? 處理內(nèi)核。選擇合適的處理內(nèi)核可能很困難，因為需要在靈活性與優(yōu)化控制算法之間保持平衡。過去，優(yōu)化控制算法是第一要務，因此 DSP、專用集成電路 (ASIC) 和 FPGA 是確定無疑的選擇。

現(xiàn)在，由于需要向伺服驅(qū)動器添加工業(yè) 4.0 服務，因此開始采用標準的 Arm Cortex?-A 和 Cortex-R 內(nèi)核。Cortex-A 內(nèi)核可以實現(xiàn)非常高的帶寬，這對于快速處理非常有用，但這種內(nèi)核缺少 Cortex-R 的實時組件，這便是 Cortex-R 在伺服控制方面比 Cortex-A 更適合的原因。另一方面，Cortex-A 比 Cortex-R更適合許多其他服務，例如網(wǎng)絡或預測性維護。幸運的是，諸如 Sitara AM6x 處理器之類的多核器件可以包含此處提到的所有處理元件，因此可以在單個芯片中實現(xiàn)所有必要的元素。

工業(yè)通信
工業(yè) 4.0 給工廠帶來了許多令人振奮的新事物，但工業(yè)伺服驅(qū)動器行業(yè)中最引人注目的現(xiàn)象之一是多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的迅速應用。市場上存在著針對工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線和位置編碼器的十多種不同通信協(xié)議，每種都有其優(yōu)缺點。EtherCAT、PROFINET 和 EtherNet/Industrial Protocol (IP) 是伺服驅(qū)動器市場中最受歡迎的基于以太網(wǎng)的協(xié)議，而 Hiperface Digital Servo Link、EnDat 2.2 和 Bidirectional Interface for Serial/Synchronous C 則是最受歡迎的位置編碼器協(xié)議。

這些協(xié)議中的許多協(xié)議都有 ASIC 可以附加到主機處理器上以支持該特定通信協(xié)議。在某些情況下，采用多芯片解決方案時，協(xié)議棧在主機處理器上運行，而 ASIC 執(zhí)行媒體訪問控制層。僅計劃支持單個協(xié)議的制造商更喜歡這種分布式體系結(jié)構(gòu)，因為 ASIC 通常針對該特定通信標準進行了優(yōu)化。一旦出現(xiàn)了支持多種協(xié)議的需求，多芯片解決方案便會由于多種原因而失去吸引力。每種新協(xié)議都要求您熟悉新器件（這會增加開發(fā)工作量和成本）。對于每種不同的協(xié)議，制造商必須維護其電路板的多個版本。

諸如 Sitara 處理器之類的解決方案已將多協(xié)議支持能力集成到主機處理器中，有助于節(jié)省成本、縮減布板空間和減少開發(fā)工作量，同時還可以最小化外部組件與主機之間通信的相關(guān)延遲。支持多種標準的單一平臺使您能夠為最終產(chǎn)品的不同版本維護一塊單板。

如果需要使產(chǎn)品適應未來需求，還必須考慮對于時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 的支持需求。選擇用于工業(yè)通信的平臺必須足夠靈活，能夠適應不斷發(fā)展的 TSN 標準，否則一旦最終確定標準，便有可能面臨過時風險。Sitara AM6x 處理器系列通過其靈活的可編程實時單元-工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 提供了一種解決方案，支持千兆位 TSN 以及傳統(tǒng)的 100Mbps 協(xié)議（例如EtherCAT）。

功能安全
自主機器決策與操作的發(fā)展趨勢以及在潛在危險工廠環(huán)境中人機交互的不斷增加，意味著“功能安全”對于智能工廠中的許多應用（包括伺服驅(qū)動器）而言越來越重要。有關(guān)功能安全標準以及 Sitara 處理器如何在工業(yè)環(huán)境中發(fā)揮作用的詳細說明，請閱讀白皮書《工業(yè) 4.0 中的功能安全狀態(tài)》。

系統(tǒng)分區(qū)
伺服驅(qū)動器中的級聯(lián)控制回路通?？缭街辽賰蓚€電路板，電路板之間由增強型隔離邊界隔開。這種隔離邊界將形成所謂的“熱側(cè)”和“冷側(cè)”。熱側(cè)最靠近電機，并包括向電機供電的高壓組件。冷側(cè)在隔離的另一側(cè)，通常容納控制單元。

跨隔離邊界劃分系統(tǒng)時，電機驅(qū)動器中各種控制回路的模塊化特性為您提供了許多可能性。圖 2、3 和 4 顯示了伺服驅(qū)動器一些可能的分區(qū)。

圖 2 顯示了一種包含兩個芯片的解決方案，其中的兩個片上系統(tǒng) (SoC) 被隔離邊界隔開。這種架構(gòu)的好處在于，場定向控制回路從電機獲取輸入并返回電流的總時間很短，因為整個回路都在功率級板上運行。

圖 3 也顯示了一種包含兩個芯片的解決方案，但是這次位于控制板上的兩個 SoC 都處于冷側(cè)。控制回路在兩個 SoC 之間分開：一個 SoC 負責算法處理，另一個 SoC 充當聚合器并提供跨隔離邊界的脈寬調(diào)制器 (PWM)。這種架構(gòu)的好處在于，可以使用成本更低的功率級板，但保持相同的性能水平，而圖 2所示的分區(qū)則需要兩個 SoC 之間具有高速接口。

?

圖 2.Sitara 處理器跨隔離邊界與系統(tǒng)熱側(cè)的單獨控制單元進行通信.

?

圖 3.Sitara 處理器充當伺服處理器，并將不同的控制功能卸載到系統(tǒng)冷側(cè)的 C2000 微控制器或 FPGA。

在圖 4 中，包含 PWM 和運動曲線生成功能（通常由 PLC 處理）的整個控制回路都集成在冷側(cè)的單個 SoC 中。這種架構(gòu)可通過集成節(jié)省更多成本，并消除 SoC 之間接口的相關(guān)延遲。

解決方案
Sitara 處理器系列的 SoC 可滿足從獨立工業(yè)通信模塊到本章所討論系統(tǒng)分區(qū)的全功能多軸伺服驅(qū)動器的所有需求。圖 5 顯示了使用Sitara、Hercules? 和 C2000 微控制器系列中的不同處理器可以實現(xiàn)的解決方案。Sitara AMIC 處理器包含 PRU-ICSS 子系統(tǒng)，并已針對獨立的多協(xié)議工業(yè)通信模塊進行了優(yōu)化。

Sitara 系列的其余產(chǎn)品集成了 PRU-ICSS 子系統(tǒng)以及其他內(nèi)核和外設以實現(xiàn)控制和通信。AM6x 處理器系列提供基于 Hercules 微控制器的集成安全功能，為通信、伺服控制和某些級別的功能安全性提供了單芯片解決方案，集成度得到進一步提高。

結(jié)論
工業(yè) 4.0 引入了伺服驅(qū)動器的新準則和系統(tǒng)要求，因此，設計人員選擇適合當前和未來伺服驅(qū)動器需求的解決方案非常重要。Sitara AM65 處理器之類的器件同時包含 Cortex-A 和 Cortex-R 內(nèi)核并支持 100Mbps 和 1Gbps 工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能，能夠滿足現(xiàn)有和未來伺服驅(qū)動器的需求。TI 還提供多種產(chǎn)品，包括其他 Sitara 處理器和 C2000微控制器，旨在滿足工業(yè)市場不斷變化的需求。

圖 5.適用于伺服驅(qū)動器的 TI 處理產(chǎn)品。

?

2.2 機器人系統(tǒng)的伺服驅(qū)動器
2.2.1 隔離式柵極驅(qū)動器的影響
隨著全球范圍內(nèi)信息交換和城市化的發(fā)展，對電源管理的需求比以往任何時候都更加重要。

因此，高效可靠的系統(tǒng)必須使用具有先進智能性的電力電子器件，以便滿足功耗需求。需要滿足這些要求的幾種日常應用包括數(shù)據(jù)中心、電信基站、工業(yè)自動化、電機驅(qū)動器和電網(wǎng)基礎設施。每種應用都有自己的功率級別要求、拓撲以及適合的電源開關(guān)選擇。

例如，數(shù)據(jù)中心和電信應用使用功率金屬氧化物半導體(MOSFET) 的原因很簡單，即這些應用需要在提高系統(tǒng)功率密度的同時加快開關(guān)速度。另一方面，工業(yè)自動化和電機驅(qū)動器由于具有高電壓要求和更高的功率水平，通常會部署絕緣雙極柵極晶體管 (IGBT)。諸如光伏逆變器之類的電網(wǎng)基礎設施設備可以根據(jù)逆變器類型和功率水平來靈活選擇任何電源開關(guān)。

這些應用涉及人機界面 (HMI)。此外，諸如控制器和通信外設之類的智能系統(tǒng)需要保護以免受大功率和高壓電路的影響。這是通過隔離實現(xiàn)的。而且，將隔離電路與電源傳輸組件集成在一起有助于減小系統(tǒng)尺寸并降低成本。一種主要趨勢是將柵極驅(qū)動器與稱為隔離式柵極驅(qū)動器的隔離器（執(zhí)行隔離功能的器件）集成在一起。這種逐漸形成的主要趨勢使得這些系統(tǒng)級特性極具吸引力。

本電子書的這一節(jié)涵蓋兩個方面。第一個方面是了解隔離式柵極驅(qū)動器為何變得如此具有吸引力（通過了解某個應用領域即可看出這一點）。第二個方面是確定在電源開關(guān)中使用隔離式驅(qū)動器的要求。

為何使用隔離式柵極驅(qū)動器？
數(shù)據(jù)中心應用
信息交換和檢索的需求與應用無處不在。例如，在使用智能設備時不能浪費一分一秒。看看社交媒體、訊息或電子郵件中有些什么內(nèi)容。所有這一切都在云中發(fā)生。這種云是全球?qū)崟r連接的主力軍。云實際上位于數(shù)據(jù)中心內(nèi)。

與數(shù)據(jù)中心之間往返的信息通過光纜或同軸電纜之類的線路傳輸，或者通過電信基站以無線方式傳輸。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部包含電源傳輸單元，通常稱為“電源”。信息存儲在稱為“云服務器”的服務器中。這些服務器需要強大的功能來存儲信息并與用戶之間相互檢索信息。這些電源單元的功率范圍在幾百瓦到幾千瓦之間。它們使用電網(wǎng)（數(shù)百伏范圍的交流線路電壓）。因此，它們被稱為高壓單元。

為了提高服務器效率，需要使用幾種低壓組件，例如控制器和通信組件。而且，這些服務器在出售時有標定的效率額定值，因此必須遵循這些額定值。此外，在云運行期間，人類通過HMI 與服務器進行交互。必須避免任何擊穿以及電流從高壓單元泄漏到 HMI 中的情況，因為這種問題可能損壞所有低壓組件，例如控制器和通信組件。

解決辦法是隔離
作為一種半導體集成電路 (IC)，隔離器件允許數(shù)據(jù)和電力在高壓和低壓單元之間傳輸，同時可以防止任何危險的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流從電網(wǎng)中流出。一個眾所周知的例子便是雷擊。通過隔離可以打破在具有高能量流的電路中形成的接地環(huán)路。隔離方法有若干種。在所有隔離方法當中，電流隔離是針對巨大電位差提供保護的一種隔離方法。

這種電力需求每天都在持續(xù)增加。不僅如此，人們希望立即收到這些信息。這意味著，隨著數(shù)據(jù)需求的增加，數(shù)據(jù)中心的容量也在與日俱增；因此，電力輸送系統(tǒng)需要提供越來越多的電力。但是，數(shù)據(jù)中心的機房空間有限。擴大機房空間的成本高昂，非常不經(jīng)濟。

解決此需求的一種方法是增加功率密度并確保隔離可靠性。為實現(xiàn)此目的，可顯著提高電源效率并增大電力傳輸率（也稱為開關(guān)頻率，以 kHz 為單位）。此改進有助于減小電源單元的尺寸。通過將隔離器與關(guān)鍵電源組件（即高速柵極驅(qū)動器）集成在一起，可以實現(xiàn)隔離可靠性。這種集成器件便是大家所知道的隔離式柵極驅(qū)動器。

柵極驅(qū)動器功能
為了進一步了解這種集成解決方案的價值，首先需要了解如何使用柵極驅(qū)動器。柵極驅(qū)動器在采用開關(guān)模式電源的系統(tǒng)中實現(xiàn)，其中的電源開關(guān)在 ON 和 OFF 模式下工作，因此理論上在高開關(guān)頻率下具有零功耗。兩種常用的電源開關(guān)是功率 MOSFET 和 IGBT。開關(guān)模式電源在基于控制器的閉環(huán)電源拓撲中運行。對 ON/OFF 狀態(tài)的控制在這些開關(guān)的柵極上進行，旨在調(diào)節(jié)電壓和通過開關(guān)的電流。讓我們以功率MOSFET 為例。圖 1 說明了柵極端子的工作原理。

?

圖 1.控制電源開關(guān)中的柵極端子。

首先，柵極 (GATE) 端子控制 MOSFET 的 ON/OFF 狀態(tài)。VGS表示柵極與源極之間的電壓。

• 要開啟 (ON)，請施加正電壓，VGS > 閾值電平.

• 要關(guān)閉 (OFF)，請降低 VGS < 閾值水平.

• 柵極 (GATE) 是具有高阻抗的電容輸入端。

• 它具有 CGS 和 CGD 作為 MOSFET 內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的兩個寄生電容.

這便是柵極驅(qū)動器的用武之地。它充當功率放大器，接受來自控制器 IC 的低功率輸入，并產(chǎn)生適當?shù)拇箅娏鳀艠O驅(qū)動以使功率 MOSFET 開通或關(guān)斷。

隔離式柵極驅(qū)動器與傳統(tǒng)變壓器隔離
對于高壓應用（例如數(shù)據(jù)中心電源），根據(jù)控制器的放置位置，需要在控制器和驅(qū)動器之間進行隔離。一種傳統(tǒng)的隔離方法是使用柵極驅(qū)動器變壓器。

圖 2a 顯示了由簡單低側(cè)非隔離式柵極驅(qū)動器向變壓器施加脈沖到橋式拓撲相腳（圖 2b）的位置。這稱為 A 型。

圖 2a.變壓器隔離驅(qū)動相腳中的兩個高側(cè)、低側(cè)開關(guān).

?

圖 2b.全橋拓撲的一個相腳.

圖 3.隔離器和柵極驅(qū)動器配置突出了相腳控制器.

現(xiàn)在考慮使用隔離器 IC 代替位于控制器與高側(cè)、低側(cè)驅(qū)動器之間的變壓器（圖 3）。這稱為 B 型。

表 1 顯示了 A 型和 B 型之間的典型比較。

表 1. A 型與 B 型的比較.

請注意，與變壓器隔離相比，隔離器和柵極驅(qū)動器組合的尺寸較小。但是，B 型的傳播延遲（高功率密度應用的關(guān)鍵指標）要高得多。

現(xiàn)在考慮將隔離器和驅(qū)動器集成到一個 IC 或多芯片模塊中，如圖 4 所示。這稱為 C 型。此解決方案便是隔離式柵極驅(qū)動器。

C 型提供的傳播延遲類似于或優(yōu)于分立式變壓器解決方案，同時還使面積大幅減小了 50% 以上。此外，可對 C 型進行定制，使之提供大于 100V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，這一數(shù)字明顯高于 A 型解決方案所能達到的水平。CMTI 是決定柵極驅(qū)動器可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。

如數(shù)據(jù)中心應用中所述，系統(tǒng)解決方案的尺寸越來越小。這促使電源具有更高的功率水平和更小的布板空間。集成盡可能多的組件至關(guān)重要，因此這就成為了電源解決方案的趨勢。隔離式柵極驅(qū)動器（C 型）正是順應這一趨勢的解決方案。電隔離技術(shù)通常涉及電容、光學和電感。此外，隔離級別（例如增強級別、基本級別和功能級別）取決于應用。

?

圖 3.隔離器和柵極驅(qū)動器配置突出了相腳控制器.

隔離驅(qū)動器在電源開關(guān)中的應用
隔離式驅(qū)動器的功能與非隔離式柵極驅(qū)動器非常相似，例如以下方面：

• 傳播延遲.

• 共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI).

• 上升時間/下降時間.

• 最大驅(qū)動器側(cè)電源電壓.

• UVLO.

• 通道間延遲.

• 保護方案.

• 死區(qū)時間控制和重疊.

• 啟用/禁用特性.

規(guī)格參數(shù)的重要性由應用決定。例如，數(shù)據(jù)中心服務器和電信基礎設施中使用的電源以高于 20kHz 的高開關(guān)頻率運行。對于此類使用功率 MOSFET 的應用，最大限度降低開關(guān)損耗是關(guān)鍵。因此，諸如上升時間/下降時間和傳播延遲的參數(shù)非常重要。另外，電機驅(qū)動器和大功率 (> 5kW) 光伏逆變器等應用的開關(guān)頻率范圍為 5kHz 至 20kHz。對于此類使用 IGBT 的大功率應用，必須具有良好的保護方案和較高的驅(qū)動器側(cè)電源電壓，從而確保您的設計能夠耐受這些應用中的惡劣環(huán)境。

隔離式柵極驅(qū)動器的一個獨特參數(shù)是 CMTI；在較高開關(guān)頻率下運行系統(tǒng)時必須考慮這一參數(shù)。CMTI 表示柵極驅(qū)動器 IC 中的隔離器承受其兩個接地端之間的高壓擺率電壓瞬變而不會破壞其中所通過信號的能力。CMTI 較高意味著隔離式柵極驅(qū)動器可用于高開關(guān)頻率應用中。而且，隨著諸如氮化鎵 (GaN)和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙開關(guān)的出現(xiàn)，CMTI 正在成為隔離式柵極驅(qū)動器可能最重要的參數(shù)。

尤其是，SiC MOSFET 憑借其出色的材料性能，已成為電力電子領域的顛覆性解決方案，因此在高電壓、高功率應用中產(chǎn)生了各種節(jié)能、可靠且緊湊的系統(tǒng)。隨著電動汽車和可再生能源電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，這些應用越來越引起人們的關(guān)注，進而使得SiC 的柵極驅(qū)動器要求非常關(guān)鍵。TI 擁有一個隔離式柵極驅(qū)動器系列 UCC217x，其具有用于 SiC MOSFET 的快速集成式感應能力。UCC217x 系列充分利用 TI 的電容隔離技術(shù)，最大限度延長絕緣柵的使用壽命，同時還提供高增強隔離等級、快速的數(shù)據(jù)速度和高密度封裝。

這源于 TI 的電容隔離層和具有極高介電強度的絕緣體 (SiO2)。每個電容隔離層都使用我們的 TI 專有技術(shù)構(gòu)建而成，其隔離浪涌電壓保護強度超過 12.8kV，且額定隔離電壓為 5.7kV，可以確保增強的系統(tǒng)級可靠性。此外，快速的短路保護和快速的響應速度增強了系統(tǒng)保護。

表 2 比較了 MOSFET 和 IGBT 隔離式柵極驅(qū)動器，并總結(jié)了前面所述的差異。

?

表 2.MOSFET 和 IGBT 隔離式柵極驅(qū)動器的比較.

總結(jié)
在電源、光伏逆變器和混合動力汽車/電動汽車直流/直流轉(zhuǎn)換器等電源管理應用中，高功率密度和穩(wěn)健性變得越來越重要。隨著功率水平的提高，對 HMI 和智能系統(tǒng)的保護非常重要。因此，隔離式柵極驅(qū)動器正成為這些應用的首選解決方案。本節(jié)將隔離式柵極驅(qū)動器的價值與傳統(tǒng)變壓器方法進行了比較。我們以這種驅(qū)動器作為電源開關(guān)和應用的一部分為例，強調(diào)并說明了這種驅(qū)動器的關(guān)鍵要求。TI 為這些電源開關(guān)提供了多款隔離式柵極驅(qū)動器。這些產(chǎn)品包括可用于多種應用（例如電源、電機驅(qū)動器、光伏逆變器和汽車電氣化系統(tǒng)等）的隔離式柵極驅(qū)動器（例如 UCC21710-Q1、UCC21732-Q1、UCC21750、UCC21520、ISO5451/5452、UCC5350 和 UCC21220 系列）。?

2.2.2 了解峰值拉電流和灌電流參數(shù)
由于數(shù)據(jù)表中的高電平輸出電流 (IOH) 和低電平輸出電流 (IOL)規(guī)格，柵極驅(qū)動器經(jīng)常被混淆為連續(xù)電流源。例如，查看 TIUCC5320SC 的設計人員可能會看到“4.3A 拉電流”和“4.4A灌電流”參數(shù)，并錯誤地認為這些器件能夠連續(xù)提供這些電流。

?

圖 1.MOSFET 開通時間間隔.

柵極驅(qū)動器不需要提供恒定電流，因為它們僅需在切換MOSFET 或 IGBT 的柵極時拉出或灌入電流。?? ?

?? ? ?? ?
圖 1 顯示了開通波形。

要了解 ?和?規(guī)格，必須查看器件內(nèi)部的上拉和下拉結(jié)構(gòu)。柵極驅(qū)動器的輸出級通常具有某種類似圖 2 的變體形式。UCC5320SC 采用分離輸出的引腳排列，因此更容易控制上升和下降時間，而無需添加諸如肖特基二極管之類的額外組件。

?

圖 2.柵極驅(qū)動器輸出級.

在空載條件下， 取決于? 以及? 與? 的并聯(lián)組合，而 由? 和? 設定。 幫助上拉結(jié)構(gòu)輸送峰值電流，并在米勒平臺區(qū)域期間短暫增加峰值拉電流，如圖 1 中的間隔 3 所示。這是通過在輸出狀態(tài)從低電平變?yōu)楦唠娖降莫M窄瞬間開通 N 溝道 MOSFET 來實現(xiàn)的。將 MOSFET 和 IGBT 驅(qū)動為高電平時，外部柵極電阻器? 和晶體管的內(nèi)部柵極電阻? 會降低峰值輸出電流，如方程 1 所示：

同樣，峰值灌電流受制于外部柵極電阻器 （與??和 ?串聯(lián)），并由方程 2 確定：

?

我們可以演示使用 UCC5320SC 隔離式單通道柵極驅(qū)動器和100nF 容性負載來確定峰值驅(qū)動電流的不同方法。第一種方法根據(jù)方程 1 和 2 計算預期的峰值電流。在為系統(tǒng)選擇柵極驅(qū)動器時，可使用這些方程來估算峰值驅(qū)動電流。

為了在將 MOSFET 或 IGBT 安裝到印刷電路板上之前對MOSFET 或 IGBT 的驅(qū)動過程進行仿真，請選擇一個等效于開關(guān)輸入電容 (CISS) 的負載電容器。在驅(qū)動電壓條件下，從MOSFET 或 IGBT 的數(shù)據(jù)表中查找所需的柵極電荷來確定輸入電容。

第二種方法使用 CISS 以及開關(guān)波形的瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 來確定拉電流或灌電流。圖 3 使用游標來測量 dv/dt，方法是將光標設置為固定的 35ns 間隔并掃過上升沿以查找峰值 dv/dt。原則上，將示波器的光標設置為時間間隔 Δt（大約是上升時間的10%）以確定流過負載電容器的電流。

?

圖 3.測量負載電容器上的峰值 dv/dt.

使用測得的峰值 dv/dt 和負載電容值，根據(jù)方程 3 計算峰值電流：

第三種方法是在電容器和接地端之間插入一個 0.1Ω 的感應電阻來計算或 。圖 4 顯示了感應電阻器上的電壓波形，其測量值與 波形的最高 dv/dt 值一致。

?

圖 4.串聯(lián)感應電阻器上的電壓.

表 1 列出了這三種方法的結(jié)果。即使與電容器串聯(lián)一個 0.1Ω的感應電阻器，方程 1 仍可估算出 4.30A 的拉電流。方程 3 使用在柵極驅(qū)動波形的線性區(qū)域中測得的最大 dv/dt 值，得出的估算值為 4.53A。在這一相同的線性區(qū)域中，感應電阻器上的電壓在圖 4 中進行測量，由歐姆定律確定峰值?為 4.29A。

?

表 1. 測量結(jié)果比較.

第一種方法是選擇柵極驅(qū)動器時的良好起點，但您獲得的不是實際的測量值。第二種方法依賴于使用固定 Δt 并掃過整個波形來精確測量最高 dv/dt。最后，在 0.1Ω 感應電阻器上測得的電壓將提供一個使用圖 4 和歐姆定律根據(jù)峰值驅(qū)動電流測量值計算得出的值。第三種測量方法的關(guān)鍵是選擇一個阻值較小的感應電阻器，以防止峰值輸出電流受到任何限制。所有提供的方法都是柵極驅(qū)動器峰值輸出電流的可接受近似計算方法。

重申一下，和?不是連續(xù)直流值。峰值電流會在瞬間使CISS 充電或放電，然后在開關(guān)開通時減小值。

2.2.3 帶 UVLO 和 BJT 圖騰柱的低側(cè)柵極驅(qū)動器
柵極驅(qū)動器已在越來越多的場合取代了雙極結(jié)型晶體管(BJT) 圖騰柱來驅(qū)動低端應用中的電源開關(guān)。柵極驅(qū)動器具有許多內(nèi)置的安全特性，可以消除分立式解決方案中缺少保護措施所帶來的風險。在驅(qū)動 MOSFET 和 IGBT 時，安全特性對于確?？深A測的開關(guān)和穩(wěn)定的柵極驅(qū)動非常重要。讓我們比較一下 UCC27517 柵極驅(qū)動器和分立式圖騰柱，看看它們各自在欠壓鎖定 (UVLO) 條件下的性能。

UVLO 的重要性
UCC27517 柵極驅(qū)動器具有重要的內(nèi)置保護特性，可在電源未達到 UVLO 閾值時將驅(qū)動器的輸出端接地。圖 1 顯示了 VGS的不同值在給定漏源電壓下對 MOSFET 的影響。紅色曲線的右側(cè)是飽和區(qū)域，該區(qū)域由恒定的漏源電流定義，取決于柵源電壓而與漏源電壓無關(guān)。由于同時存在高漏極電流和高漏源電壓，該飽和區(qū)域的功率損耗可能很高。紅色曲線的左側(cè)是線性區(qū)域，漏極電流與 MOSFET 的低 RDS(on) 成正比。對于具有高漏極電流的應用，柵源電壓的下降可能會對 MOSFET 構(gòu)成危險。UCC27517 以及 UCC 系列中的其他低側(cè)驅(qū)動器通過其內(nèi)置的 UVLO 來防止該下降，從而實現(xiàn)安全上電。

?

圖 1.MOSFET 1 至 5 的特性。

為什么 BJT 圖騰柱不提供保護
圖 2 顯示了用于驅(qū)動 MOSFET 的 BJT 圖騰柱配置。圖 2 顯示的是一個典型的柵極驅(qū)動電路，其中使用旁路電容器和附加的基極電阻來限制輸入電流。上電和斷電時，在 BJT 驅(qū)動器電源穩(wěn)定之前，MOSFET 可能會同時經(jīng)受高電壓和大電流?？稍谠撾娐分刑砑油獠?UVLO 電路，但是這種添加會導致組件數(shù)量、電路板尺寸和物料清單 (BOM) 成本增加。

?

圖 2.BJT 圖騰柱原理圖.

圖 3 顯示了 UCC27517 器件在相同條件下驅(qū)動電源開關(guān)的情況，但具有內(nèi)置 UVLO（通常為 4.2V 且典型遲滯為 300mV）。當電源電壓達到 UVLO 時，驅(qū)動器的輸出隨 VDD 的升高而上升，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)為止。該解決方案還使用更少的組件，具有更小的尺寸，并可節(jié)省 BOM 成本。

?

圖 3.UCC27517 原理圖.

使用帶 UVLO 的 UCC27517 來保護 MOSFET 和 IBGT
在 3.3V 啟動時，兩個柵極驅(qū)動器的熱性能存在顯著差異。UCC27517 柵極驅(qū)動器會鉗制其輸出，從而防止開關(guān)以及其輸出端的場效應晶體管 (FET) 上出現(xiàn)漏源電壓降。圖 4 中的波形展示了這一事件。通道 2 (VDS_517) 未捕獲到 MOSFET上的電壓降，而通道 4 (IDS_517) 顯示了上電期間接地的漏極電流。此過程一直進行到電源電壓達到 UVLO 上升閾值為止。但是，BJT 允許 MOSFET 上的電壓降（由通道 1 [VDS_BJT] 捕獲），而漏極電流則顯著上升（如通道 3 [IDS_BJT] 所示）。這樣的電流上升會導致功耗過大，并可能損壞 MOSFET。

?

圖 4.UCC27517 和 BJT 圖騰柱柵極驅(qū)動器在 3.3V 上電時的波形.

圖 5 顯示了此事件的熱感圖像。在左側(cè)，UCC27517 驅(qū)動MOSFET（使用其內(nèi)置 UVLO），通過將其輸出端接地來防止FET 結(jié)過熱。在 UVLO 條件下，無論輸入如何，驅(qū)動器的輸出端都會保持接地。但是，在右側(cè)，由于沒有保護，BJT 圖騰柱輸出端的 FET 會由于功耗增加而承受過熱的風險。

UVLO 作為一項重要特性，可確保僅在提供足夠的電壓時才進行開關(guān)，從而實現(xiàn) MOSFET 的平滑上電和斷電。UCC27517 通過將其輸出端接地并由此防止 MOSFET 過熱來解決其內(nèi)部UVLO 的這一問題。由于在上電和斷電期間會在 MOSFET 結(jié)處產(chǎn)生過多的功耗并可能損壞 FET，因此該特性至關(guān)重要。

?

圖 5.UCC27517 驅(qū)動的 MOSFET（左）和 BJT 驅(qū)動的MOSFET（右）在 3.3V 上電時的熱感圖像.

內(nèi)部 UVLO 保護不僅限于 UCC27517 柵極驅(qū)動器，還擴展到了 UCC 低側(cè)柵極驅(qū)動器系列中的其他器件。

2.2.4 適用于柵極驅(qū)動器的外部柵極電阻器設計指南
外部柵極驅(qū)動電阻器在限制柵極驅(qū)動路徑中的噪聲和振鈴方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。如果沒有尺寸合適的柵極電阻器，寄生電感和電容、高瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 和瞬態(tài)電流 (di/dt) 以及體二極管反向恢復可能導致不良行為。

圖 1 顯示了柵極驅(qū)動路徑中的常見元件：柵極驅(qū)動器的內(nèi)部電阻、外部柵極電阻以及 MOSFET 或 IGBT。RGATE 是唯一調(diào)整柵極驅(qū)動波形的組件。
?

圖 1.柵極驅(qū)動元素.

圖 2 顯示了寄生電感及其對由較長布線長度和不良 PCB 設計產(chǎn)生的柵極驅(qū)動波形的影響。

?

圖 2.開關(guān)原理.

寄生電感和電容會在柵極驅(qū)動回路中引起振蕩，并通過諧振電路進行建模。幸運的是，可以衰減輸入電容 CISS (CGD + CGS)和源極電感 LS 之間原本非常高的 Q 諧振，方法是使用回路的串聯(lián)電阻分量 R（R G G = RHI 或 LO + RGATE + RG,I）。

最佳的柵極電阻器選擇是高性能設計的關(guān)鍵。如果未經(jīng)優(yōu)化，小電阻值也會導致柵極驅(qū)動電壓波形產(chǎn)生過沖，還會導致加快開通速度。升高電阻值也會導致振蕩過阻尼并延長開關(guān)時間，對于柵極驅(qū)動設計沒有太多好處。

最好可以讓選擇的柵極電阻器給設計帶來 0.5（臨界阻尼）到 1（欠阻尼）之間的品質(zhì)因數(shù) Q。如果品質(zhì)因數(shù)大于 0.5，則可以根據(jù)需要加快開通和關(guān)閉速度。

首先記錄沒有外部電阻的柵極驅(qū)動振鈴。這便是方程 1 中使用的振鈴頻率 f R：

MOSFET 或 IGBT 數(shù)據(jù)表將提供 CISS，這將幫助您計算 LS。針對欠阻尼或臨界阻尼性能，確定 RG 何時等于或兩倍于電感器的電抗。從總串聯(lián)電阻中減去內(nèi)部柵極驅(qū)動和晶體管柵極電阻，即可確定外部柵極電阻，如方程 2 所示：

此處描述的方法是一個迭代過程，該過程從 0Ω 的外部柵極電阻開始，根據(jù)振鈴頻率、源極電感和輸入電容來計算新的外部柵極電阻值。

半橋配置中的兩個隔離式單通道柵極驅(qū)動器提供了概念驗證。由 15V 電源驅(qū)動的兩個 UCC5310MC 柵極驅(qū)動器將驅(qū)動兩個 100V CSD19536KCS MOSFET（典型的內(nèi)部柵極電阻 RG,I為 1.4Ω）。

CSD19536KCS MOSFET 較小的內(nèi)部柵極電阻顯示了添加外部柵極電阻的效果。如果 MOSFET 或 IGBT 的內(nèi)部柵極電阻足夠大，則可能不需要外部柵極電阻。

在 0Ω 時，柵源波形上會出現(xiàn)不必要的振鈴。CSD19536KCS MOSFET 的內(nèi)部柵極電阻不足以抑制圖 3 中的振蕩。

?

圖 3.外部柵極電阻器，其中的 RGATE = 0Ω.

使用 3.57MHz 振鈴頻率和 9,250pF 輸入電容，方程 1 和 2 可以確定臨界阻尼電阻值。不要忘記從該計算結(jié)果值中減去串聯(lián)電阻元件阻值 RG,I 和 RHI 或 LO。圖 4（下一頁）演示了在柵極驅(qū)動路徑上添加 7Ω 電阻器的效果（使波形嚴重衰減）。

外部柵極電阻器的選擇將影響三個方面：驅(qū)動電流、柵極驅(qū)動器功耗以及上升和下降時間。圖 3 和圖 4 顯示了柵極電阻器的抑制效果及其對上升和下降時間的影響。

?

圖 4.臨界阻尼的外部柵極電阻，其中的 RGATE = 7Ω.

如果添加優(yōu)化的柵極電阻后，上升和下降時間太慢，則另一種選擇是將 Q 因素設置為 1 計算柵極電阻。這將促成欠阻尼解決方案，但要小心防止過沖或下沖。如果仍然出現(xiàn)過沖或下沖情況，請查看柵極驅(qū)動器的拉電流和灌電流，并找到一個峰值電流更大的器件來代替它。這將會以更快的速率對 FET 進行充電和放電，但需要一個新的優(yōu)化柵極電阻器來防止過沖。

有關(guān)備選器件建議，請參閱表 1。

?

表 1. 備選器件建議.

從圖 5 所示的串聯(lián) RLC 電路中減少振鈴的另一種方法是最大限度降低高側(cè)晶體管源極與低側(cè)晶體管源極之間的回路電感。將對晶體管柵極進行充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)至關(guān)重要。必須將柵極驅(qū)動器放置在盡可能靠近晶體管的位置以減少寄生效應。

?

圖 5.柵極驅(qū)動設計中的諧振電路.

快速上升和下降時間與振蕩之間的權(quán)衡是柵極驅(qū)動設計的外部柵極電阻元件如此重要的原因。

2.2.5 通過高側(cè)電機電流監(jiān)測實現(xiàn)過流保護
大功率精密電機系統(tǒng)通常需要詳細的反饋，例如速度、扭矩和位置。將此反饋發(fā)送到電機控制電路有助于控制電機的運行，從而使其更加精確和高效。其他電機控制應用（例如固定運動任務）無需同等系統(tǒng)復雜度即可執(zhí)行相關(guān)作業(yè)。確保電機沒有失速或沒有在電機路徑中遇到意外物體，或者確保存在電機繞組短路，這可能是所有必要的反饋。添加簡單的超出范圍檢測功能可以使指示超出范圍事件的速度有所提升，因此用于實現(xiàn)動態(tài)控制和主動監(jiān)測的更復雜電機控制系統(tǒng)能夠從中獲益。

將電流感應放大器與直流電源串聯(lián)來驅(qū)動電機驅(qū)動電路的高側(cè)（如圖 1 所示）可以測量流入電機的總電流并檢測超出范圍的情況。要檢測微小的泄漏，還可以測量低側(cè)返回電流。高側(cè)和低側(cè)電流電平之間的差異表明在電機或電機控制電路內(nèi)存在泄漏路徑。

圖 1.低側(cè)和高側(cè)電流檢測.

直流電壓電平隨電機額定電壓而異，因此需要可適應相應電壓電平的多種電流測量解決方案。對于低電壓電機（約 5V），選擇用于監(jiān)測此電流的電路很簡單：多種放大器類型（電流感應、運算、差分、儀表）可執(zhí)行電流測量功能以支持共模輸入電壓范圍。

對于電壓較高的電機（24V 和 48V），唯一可行的選擇是專用電流感應放大器和差分放大器。隨著電壓要求不斷提高，測量誤差將開始影響有效確定超出范圍情況的能力。一種用于說明放大器在高輸入電壓水平下運行時的有效性的規(guī)格是共模抑制。該規(guī)格直接說明了放大器輸入電路對高輸入電壓干擾的抑制效果。

在最佳條件下，放大器可以完全抑制或消除兩個輸入引腳的共用電壓并且僅對兩者之間的差分電壓進行放大。但是，隨著共模電壓的上升，放大器輸入級中的漏電流將導致額外的輸入失調(diào)電壓。監(jiān)測較大的輸入范圍電平將按比例產(chǎn)生較大的測量誤差。

例如，共模抑制規(guī)格為 80dB 的差分放大器或電流感應放大器會根據(jù)輸入電壓電平在測量結(jié)果中引入較大的失調(diào)電壓。共模抑制規(guī)格為 80dB 時，對于施加到輸入端的每伏特電壓，在測量中將相應產(chǎn)生額外的 100μV 失調(diào)電壓。

許多器件具有規(guī)定的工作條件（例如，VCM = 12V，VS = 5V），這為默認的共模抑制和電源抑制比規(guī)格建立了基線。本示例中，在 60V 共模電壓下運行會導致 VCM 變化 48V (60V 至 12V)。共模抑制為 80db 時，除了器件數(shù)據(jù)表中指定的輸入失調(diào)電壓之外，48V 的變化還會導致產(chǎn)生額外的 4.8mV 失調(diào)電壓。

采用校準方案的應用受這種額外引入的失調(diào)電壓影響較小。不過，對于系統(tǒng)校準無法解決該失調(diào)電壓漂移的應用，必須選擇具有更佳共模電壓抑制規(guī)格的放大器。

INA240 是一款專用的電流感應放大器，其共模輸入電壓范圍為 -4V 至 +80V，在該器件整個輸入和溫度范圍內(nèi)最壞的共模抑制規(guī)格為 120dB。120dB 的共模抑制對應于共模電壓每變化 1V 便額外產(chǎn)生 1μV 的輸入失調(diào)電壓。溫度對放大器抑制共模電壓能力的影響在許多產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中都沒有詳細記錄，因此除了室溫規(guī)格之外，您還應對該影響進行評估。INA240在整個 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)可確保 120dB 共模抑制規(guī)格。圖 2 顯示了 INA240 在整個溫度范圍內(nèi)的典型共模抑制性能為 135dB（每變化 1V 產(chǎn)生的失調(diào)電壓小于 0.2μV）。

?

圖 2.共模抑制與溫度間的關(guān)系.

系統(tǒng)控制器能夠根據(jù)電流反應放大器的測量結(jié)果來評估系統(tǒng)的總體運行情況。將當前信息與預定義的運行閾值進行比較可以檢測出超出范圍事件。高側(cè)電流感應放大器隨后的比較器可以輕松檢測并快速向系統(tǒng)發(fā)出警報，以便采取糾正措施。圖 3 顯示了用于在測量驅(qū)動電機驅(qū)動電路的高電壓軌上的電流時監(jiān)測和檢測超出范圍偏移的信號鏈路徑。與輸入電流測量值成正比的輸出信號將導向至模數(shù)轉(zhuǎn)換器；輸出信號也將發(fā)送到比較器以檢測過流事件。如果輸入電流電平超出作為比較器基準電壓的預定義閾值，則比較器警報將置位。

?

圖 3.高側(cè)過流檢測.

對過流檢測電路的一項關(guān)鍵要求是能夠檢測出超出范圍情況并快速作出響應。100kHz 的信號帶寬和 2V/μs 的壓擺率使INA240 能夠精確測量和放大輸入電流信號，并將輸出發(fā)送到高速比較器，因此可以在發(fā)生短路情況時在短短幾微秒內(nèi)發(fā)出警報。該短暫的響應時間可確保系統(tǒng)中流過的意外過大電流不會損壞其他關(guān)鍵系統(tǒng)組件。

備選器件建議
對于測量高電壓并需要更高信號帶寬或更小封裝的應用，可考慮使用 LMP8640。對于需要能夠承受更高電壓的應用，可選擇 INA149，這是一款高性能差分放大器，能夠連接高達±275V 的共模電壓（電源電壓為 ±15V），并保證共模抑制為90dB（即輸入每變化 1V 便產(chǎn)生 31.6μV 的失調(diào)電壓）。

?

表 1 匯總了這些備選器件建議。

表 1. 備選器件建議.

INA301 是一款具有板載比較器的精密電流檢測放大器，可檢測高達 36V 的共模電壓下的過流事件。

2.2.6 增強型 PWM 抑制為直列式電機控制帶來的五個好處
解決問題的方法永遠不止一個。有時，最常用的方法不一定效果最好。從事電機控制項目的系統(tǒng)設計人員使用各種電流測量方法來確保電機高效運行并防止可能的損壞。

圖 1.三相電機驅(qū)動系統(tǒng)的各種電流感應方法.

如圖 1 所示，在三相電機驅(qū)動系統(tǒng)中有三種不同的電流測量方法：低側(cè)、直流鏈路和直列式。圖 1 顯示了使用三對功率MOSFET（IGBT 也很常見）驅(qū)動直流電機所需的傳統(tǒng)三相脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 逆變器，同時圖 1 還包括高側(cè)電流感應（通常用于嚴重故障情況，例如接地短路）。

許多設計人員使用前兩種方法（低側(cè)、直流鏈路及其各種組合）是因為標準電流感應解決方案隨時可用，且通常具有快速響應時間、高帶寬，快速輸出壓擺率和低共模輸入電壓。但是，僅僅因為存在可以通過低側(cè)或直流鏈路來感應相電流的產(chǎn)品，并不意味著這些解決方案代表的是最簡單的方法。測量電流背后的思路是試圖復制驅(qū)動到電機繞組中的電流。這種復制工作在軟件中進行；此過程可能會涉及很多，而且并不可能真正精確。

直列式電流感應方法似乎是最合乎邏輯的方法，因為那是您最終要測量的電流，但是這種方法面臨一定的挑戰(zhàn)。驅(qū)動MOSFET 或 IGBT 的 PWM 信號會對電流感應放大器造成嚴重破壞。位于感應電阻器上的共模信號以非?？焖俚乃矐B(tài)開關(guān)特性被從電源電壓驅(qū)動到接地端，而電流感應放大器則試圖在感應電阻器自身上測量一個很小的差分信號。

圖 2 是由 PWM 逆變器產(chǎn)生的正弦相電流（紅色波形）的示波器快照。在此例中，PWM 頻率為 100kHz，由 LMG5200 氮化鎵半橋功率級提供。直列式電流感應放大器在測量相電流時會經(jīng)受快速開關(guān)信號。

如果可以用一個類比的話，這就像是在颶風期間測量海上漂浮的杯子中的液體一樣。難怪大多數(shù)設計人員都使用低側(cè)感應！

?

圖 2.在快速共模瞬變過程中測量相電流.

在說明使用增強型 PWM 抑制進行直列式電機電流感應的潛在好處之前，我先解釋一下增強型 PWM 抑制。增強型 PWM抑制是一種有源電路，使輸出電壓趨穩(wěn)的速度比傳統(tǒng)方法要快得多。當電流感應放大器檢測到快速轉(zhuǎn)換的輸入共模信號時，內(nèi)部有源電路會將可能傳播到器件輸出端的干擾降至最低。

減少這些干擾（也稱為振鈴）的另一種方法是使用高帶寬放大器（兆赫級）來盡快使輸出進入穩(wěn)定狀態(tài)，但這種方案可能成本高昂。

圖 3 顯示了消除噪聲后表示的每個相位的輸出電壓信號。紅色波形表示信號，表明經(jīng)過電子換向的功率晶體管將正弦波形盡可能準確地復制到電機。電流感應放大器將經(jīng)受從電源軌（例如 VBATT = 48V）到接地端的輸入共模電壓信號。

?

圖 3.采用增強型 PWM 抑制時的預期電壓波形.

使用增強型 PWM 抑制進行直列式電機電流感應的五大主要好處包括：

• 縮短消隱時間。共模 PWM 瞬態(tài)抑制可減少電流感應放大器輸出端的振鈴。必須等待電壓信號穩(wěn)定是一個主要缺點，特別是對于需要低占空比 (≤10%) 的系統(tǒng)，因為進行電流測量的時間縮短了（在業(yè)界通常稱為消隱時間）。

• 直列式電流檢測.結(jié)合高共模輸入電壓，增強型 PWM 抑制有助于進行直列式電流監(jiān)測。由于處于惡劣環(huán)境中，電流感應放大器必須具備穩(wěn)健性。除此要求外，該放大器還必須具有較高的交流和直流精度，以便提供精密的電流傳感器測量。

• 可能消除電隔離。增強型 PWM 抑制的另一個好處不易察覺，但很重要。借助增強型 PWM 抑制，當電隔離并不屬于系統(tǒng)要求時，也許可以不使用隔離式電流感應器件。隔離式器件將對 PWM 信號流經(jīng)感應電阻器時產(chǎn)生的噪聲進行去耦。有了增強型 PWM 抑制后，不再需要這種去耦。

• 優(yōu)化算法。利用增強型 PWM 抑制，復制或計算相電流的需求不再是問題，因為已經(jīng)直接提供了解決方案。只需最少的軟件即可高效運行電機。

• 提高電機效率。電機制造商和電機驅(qū)動系統(tǒng)設計人員一直在尋找提高電機效率的方法。高交流和直流精度、快速輸出響應和更短消隱時間使電機能夠盡可能以最高效率運行。多相電機的精密計時控制可以最大限度減少消隱時間，進而最大限度提高電機效率。

TI 的 INA240 電流感應放大器整合了增強型 PWM 抑制，因此能夠為電機設計帶來諸多系統(tǒng)級好處。

2.2.7 如何保護控制系統(tǒng)免受熱損壞
在許多控制系統(tǒng)中，工作溫度是影響系統(tǒng)性能、可靠性和安全性的眾多因素之一。了解溫度對控制系統(tǒng)的影響可以幫助系統(tǒng)設計人員預測和防止熱損壞。

通常，控制系統(tǒng)在有限的溫度范圍內(nèi)工作。但是，只要系統(tǒng)運行超出其額定溫度范圍，其行為就變得不可預測。在高溫下工作時，控制系統(tǒng)通常會出現(xiàn)效率降低、熱耗散增加和加速老化的情況。另一方面，過低的溫度也會對系統(tǒng)的安全性和功能性產(chǎn)生負面影響，因為工作條件會受到諸如凝結(jié)之類的影響。這些影響加在一起可能導致代價高昂的故障。

有許多分立式或集成式解決方案旨在保護控制系統(tǒng)免受熱損壞。通常，這些解決方案由溫度傳感器、比較器和電壓基準組成（請參閱圖 1）。

圖 1.用于閾值檢測的熱敏電阻 + 比較器.

這種方法可提供實時熱保護，而不會中斷控制處理系統(tǒng)。?

圖 2 顯示了溫度開關(guān)行為的示例。在此示例中，跳閘點設置為60°C，遲滯為 10°C。

圖 2.帶有遲滯的溫度開關(guān)跳閘行為示例.

有些應用需要熱保護和監(jiān)測功能，因此還需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器（請參閱圖 3）。

圖 3.溫度監(jiān)測器和開關(guān)的分立式實施示例。

具體實施將取決于以下應用要求：

• 特性.

• 成本.

• 覆蓋面積.

• 增強.

• 精度.

需要考慮的其他特性包括遲滯、跳閘點可編程性、跳閘測試、資質(zhì)認證（如汽車或美國保險商實驗室）、輸出類型、通道數(shù)和電源電壓范圍。

分立式解決方案
使用負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻進行溫度開關(guān)的分立式實施很常見，因為這些器件的運用已經(jīng)很廣泛。熱敏電阻解決方案通常也被認為是低成本的解決方案?？紤]到熱保護的苛刻要求（如保證性能），分立式解決方案通常極具挑戰(zhàn)性且成本高昂。

設計分立式熱保護解決方案時的一些挑戰(zhàn)包括精度、可靠性和效率。例如：

• 由于 NTC 熱敏電阻具有非線性特征，因此如果不使用精密組件，則難以在高溫或低溫下維持高精度跳閘點，但這些組件會增加系統(tǒng)成本。

• 校準在基于硬件的開關(guān)應用中不實用。

• 分立式實施方式需要多個組件協(xié)同工作，因此可能降低系統(tǒng)可靠性。

• NTC 分立式解決方案會在高溫條件下消耗大量功率，因為NTC 電阻在高溫條件下將顯著降低。

集成電路解決方案：溫度開關(guān)/恒溫器
另一種用于控制系統(tǒng)的熱保護解決方案是使用集成式溫度開關(guān)/恒溫器。通常情況下，這些器件在單個芯片上完全集成了溫度傳感器、比較器和電壓基準。這些溫度開關(guān)是能夠自主做出決策的智能傳感器，可提供實時的過熱保護而不會中斷控制處理系統(tǒng)。這些傳感器的主要優(yōu)點如下：

• 能夠獨立于控制單元自主啟用熱保護。

• 無需軟件。

• 通過遲滯功能保證了跳閘點的溫度精度。

• 簡單且具有成本效益的過溫和/或欠溫檢測。

• 各種閾值編程選項（電阻器、引腳編程、出廠預設）。

• 有些器件還提供模擬輸出。

高度集成的傳感器可降低解決方案成本，并在安全應用中實現(xiàn)冗余。

TI 可提供廣泛的溫度開關(guān)和熱敏電阻產(chǎn)品系列，例如 TMP302、TMP390 和 TMP61，如圖 4 所示。TMP302 采用小外形晶體管-563 封裝 (1.6mm x 1.2mm)。該器件允許通過引腳選擇跳閘點并帶有遲滯，因而具有低功耗（最大 15μA）且簡單易用。TMP302 在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)無需任何校準即可實現(xiàn) ±2°C 的跳閘點精度。

設計技巧
TMP302 可以測量器件引線的溫度。仔細考慮 PCB 布局對于精確測量環(huán)境溫度或電路板溫度至關(guān)重要。與任何物理板設計一樣，環(huán)境因素會嚴重影響系統(tǒng)性能。為避免泄漏和腐蝕，系統(tǒng)必須保持絕緣和干燥。如果系統(tǒng)在可能發(fā)生冷凝的低溫下運行，則尤其如此。印刷電路涂層有助于確保水汽不會腐蝕傳感器或其連接。

圖 4.引腳可編程 IC 溫度開關(guān)框圖.

2.2.8 高精度電機驅(qū)動控制如何推動工業(yè)發(fā)展
想象汽車制造廠中的一個機器人。它拾起一個發(fā)動機缸體，將其移到汽車底盤上，精確地放置缸體，釋放它，然后返回到其初始位置，以重復該過程。該機器人可以舉起的重量遠大于人類，能夠更加持續(xù)穩(wěn)定地將物品移動到特定的位置，并且能夠不停地重復同樣的操作 - 如有必要，可以一天 24 小時工作。

此類機器人已成為汽車制造和許多其他行業(yè)的支柱，其使用在持續(xù)增長。但如果沒有精確的電機驅(qū)動控制，機器人就無法運行。在多軸機器人運行中的每個點，它必須在三個維度上使用不同大小的力才能移動發(fā)動機。機器人中的電機能夠在精確的點提供可變速度和扭矩（旋轉(zhuǎn)力），機器人的控制器使用它們沿著不同的軸協(xié)調(diào)運動，從而實現(xiàn)精確的定位。在機器人釋放汽車發(fā)動機之后，電機會減小扭矩，同時將機械臂返回到其初始位置。

正如電機驅(qū)動控制能夠促進機器人和其他領域發(fā)展一樣，電機控制本身依賴于電子技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)能夠在實時運行期間實現(xiàn)精確的控制。高端電源、智能電機驅(qū)動器、高性能控制信號處理和精確感應反饋一起提供復雜機器瞬間所需的精確速度和扭矩。這樣就可以實現(xiàn)更出色的功能、更高的工作效率以及設備和人員更高的安全性。

TI 提供了支持高級電機控制系統(tǒng)開發(fā)的一系列集成解決方案。TI 為設計工程師提供包括軟件和工具在內(nèi)的集成電路 (IC)產(chǎn)品，從而使他們能夠開發(fā)各個行業(yè)需要的且精度要求不斷提高的電機驅(qū)動控制。憑借與領先電機制造商的多年接觸，TI可幫助工程師簡化電機控制系統(tǒng)設計，同時提高其產(chǎn)品的性能。

電機控制的優(yōu)點
電子控制的電機驅(qū)動所實現(xiàn)的精度可以提供更低的成本、更高的工作效率和全新的制造能力。驅(qū)動控制可確保轉(zhuǎn)子相對于分流器保持穩(wěn)定的位置，以便電機輸出更可預測并且電力使用更高效。當電機上的負載發(fā)生變化時，電子控制可即時修改電壓輸入和提供的扭矩，從而使機器的輸出力和功耗與應用更匹配。

電子輸入控制還使更改電機本身內(nèi)部的驅(qū)動速度成為可能，而無需依賴昂貴的齒輪、皮帶和皮帶輪來輸出不同的速度?？刂剖?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/487944.html">步進電機能夠以機器人運動控制所需的微小增量或微步移動電機位置。出于以上原因，高效的運行使應用能夠使用針對作業(yè)進行更佳調(diào)節(jié)的受控電機，從而消除許多原本需要的開銷。

運行效率與更高的工作效率緊密相連。例如，裝配線上的傳送帶通常與在傳送帶上裝載零件、對零件進行操作或從傳送帶上接收零件以執(zhí)行后續(xù)步驟的其他系統(tǒng)協(xié)同工作。傳送帶通常以穩(wěn)定不變的速度向前運行，但操作有時可能需要改變速度、停止或短暫調(diào)轉(zhuǎn)方向。這些移動與傳送帶上零件數(shù)量和重量的持續(xù)變化一起需要受控的電機驅(qū)動，從而能夠自動調(diào)節(jié)輸出。可能還需要電機之間的協(xié)調(diào)，因為工廠中的多條傳送帶通常會進行同步，從而使零件以最佳速度移動。使傳送帶在變化的條件下始終以可預測的方式移動的受控電機不僅對整個工廠的工作效率具有積極的影響，而且在現(xiàn)代制造環(huán)境中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

精確受控的電機還可以實現(xiàn)全新的制造能力。機器人可提供最顯著的示例，其中電子控制的電機提供精密的移動控制，該控制通常與人類無法達到的強度和速度結(jié)合在一起。早期的移動發(fā)動機缸體的機器人示例說明了強度，而其他示例強調(diào)移動的精度或速度。例如，取放機器人重復執(zhí)行具有微米級容差的微動控制，并且其速度遠快于人類。

通過將人類從高速、重復性、有時危險的任務中解放出來，電子控制的電機使工作環(huán)境更加安全。隨著機器人被設計為與人類配合安全地工作，現(xiàn)在正隨著該趨勢進行全新的開發(fā)。盡管安全問題通常與系統(tǒng)運行和員工過程相關(guān)，但它們還包括內(nèi)部控制電子產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品必須為設備和工人提供保護，使其不因放電而損壞/受傷。在工業(yè)機器以及運行它們的電機設計中，安全性始終是一個重要元素。

設計挑戰(zhàn) 精確電機控制的
許多類型的電機都用于特定的任務，但大多數(shù)工業(yè)電機依靠交流電源提供的三相電運行。圖 1 顯示了用于此類系統(tǒng)的典型控制電子產(chǎn)品的方框圖。交流電源輸入被整流為直流電。脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)三相逆變器可生成三個高頻脈沖電壓波形，它以獨立相將這些波形輸出到電機的三相繞組中。在這三個功率信號中，電機負載的變化會影響感應、數(shù)字化并發(fā)送到數(shù)字處理器(如微控制器 [MCU]、微處理器 [MPU] 處理器或現(xiàn)場可編程門陣列 [FPGA]）的電流反饋。數(shù)字處理器中的高速數(shù)字信號處理算法實時決定變化的條件是否使調(diào)節(jié)所提供的功率變得有必要。處理器向三相逆變器發(fā)送具有 PWM 的控制輸出，以選通電源開關(guān)并調(diào)節(jié)到繞組的功率輸出，從而使電機提供更大或更小的扭矩或速度?？梢詫⑵渌袘獢?shù)據(jù)饋送到控制器中，以跟蹤系統(tǒng)輸入電壓和溫度變化。

所有這些組件都需要具有高水平的性能才能實現(xiàn)精確的電機控制。用于為控制系統(tǒng)供電的開關(guān)模式電源 (SMPS) 必須具有以穩(wěn)定的高分辨率控制的超高速開關(guān)功能。由于涉及到高電壓和高頻率并且需要大量的無源組件，從而會引入難以管理的相互起作用的阻抗，因此電源設計要求非常嚴格。幸運的是，由于采用了新的高頻材料和集成式 SMPS 模塊，設計用于控制系統(tǒng)的高性能電源變得容易得多。

?

圖 1.三相交流感應電機控制。

精確的電機控制還需要進行實時的極高速計算，具有數(shù)字信
號處理器 (DSP) 功能的 MCU 可以最佳地提供該計算。DSP 還
能夠執(zhí)行數(shù)字濾波和其他功能，以幫助保護系統(tǒng)免受功率瞬
態(tài)和其他信號缺陷的影響，同時減少對執(zhí)行這些功能的模擬
組件的需求。

盡管專用邏輯和通用 MCU 可用于低成本應用，在這些應用中
采用基本控制就足夠了，但機器人和其他高級制造設備中的
工業(yè)電機需要即時響應和精度以及數(shù)字信號控制 MCU 提供
的編程靈活性和高級算法。

電機控制系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)之一在于設計高分辨率的電流和電壓檢測反饋。設計可以測量僅來自一個分流器的電流反饋，但更徹底的（如果計算更加密集）方法可以測量來自全部三個分流器的反饋。為了避免可能發(fā)生模擬信號丟失或干擾，設計人員應該在盡可能靠近傳感器的位置越來越多地對反饋
信號進行數(shù)字化。不過，數(shù)字反饋信號可能具有潛在的計時問題，尤其是在時鐘速度增大和采樣率上升時，這些情況會導致計時窗口變窄。用于時鐘和數(shù)據(jù)信號的不同布線長度可能會使該問題加劇，這樣一來，如果在運行期間組件變熱時發(fā)生信號漂移，則可能導致數(shù)據(jù)錯誤。使用高級信號調(diào)制器的良好設計實踐可最大程度地減輕這些問題；修改變量以保持溫度增益的算法也可以進行補償。

應用要求越精確，電機就必須越仔細地處理溫度、電壓輸入、計時和其他因素的變化。例如，當系統(tǒng)在高溫下工作時，在三維空間中沿直線移動物體的機械臂可以改變其軌跡，除非控制設計通過溫度感應和算法調(diào)整對這些變化進行了補償。這些相同類型的動態(tài)調(diào)整對于實現(xiàn)精密機器人取放移動而言可能是必要的，以進行穩(wěn)定的微米級測量，而不是隨著溫度升高而漂移至精度更低且容差為毫米級的移動。由于制造環(huán)境在溫度、灰塵、振動和其他應力方面通常要求非常嚴苛，因此仔細設計電機控制電子產(chǎn)品以在各種條件下穩(wěn)定地實現(xiàn)精確運行就變得更加重要。

電機驅(qū)動控制的使能技術(shù)
TI 提供必要的支持技術(shù)以用于設計可在當今集成式制造環(huán)境中高效運行的精確電機控制和可靠驅(qū)動器電子產(chǎn)品。該公司的解決方案包括隔離式和非隔離式開關(guān)柵極驅(qū)動器、反饋信號轉(zhuǎn)換和用于實時控制的高速處理以及可編程時鐘發(fā)生器和直流/直流電源等輔助功能。對于高級 SMPS 和三相逆變器設計，TI 可提供高頻氮化鎵 (GaN) 柵極驅(qū)動器和包含 GaN 開關(guān)和柵極驅(qū)動器的模塊。對于較低電壓三相逆變器，TI 還提供高性能智能柵極驅(qū)動器、具有內(nèi)置 FET 的驅(qū)動器和具有集成控制功能的驅(qū)動器，它們可實現(xiàn)簡化但精確的控制和極短的開發(fā)時間。產(chǎn)品包含滿足工業(yè)規(guī)范的增強型隔離等安全特性，并經(jīng)過測試，符合在惡劣工業(yè)環(huán)境中使用的標準。

在 TI 針對電機控制推出的新近創(chuàng)新中，最重要的當屬AMC1306 隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器，該器件可將來自電流和其他傳感器的信號進行數(shù)字化，并輸出組合的數(shù)據(jù)和時鐘信號，從而最大限度提高計時效率。AMC1306 整合了 TI 的集成式電容隔離技術(shù)，從而以最小的尺寸實現(xiàn)增強型隔離。傳感器輸出電平變化的 Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換后跟到數(shù)據(jù)流中的時鐘頻率曼徹斯特編碼，如圖 2 所示（下一頁）。

圖 2.具有小型 Δ-Σ 調(diào)制器的增強型隔離式相位電流感應參考設計

這樣就可以實現(xiàn)高度穩(wěn)定可靠的信號，可極大地減少在工作溫度變化時可能發(fā)生的設置時間和保持時間問題，從而簡化三相電機控制系統(tǒng)的設計和布線。

時鐘嵌入在數(shù)據(jù)流中的曼徹斯特編碼
為了幫助實現(xiàn) AMC1306 調(diào)制器，TI 創(chuàng)建了具有小型 Δ-Σ 調(diào)制器的增強型隔離式相位電流感應參考設計。圖 2 顯示了該參考設計的功能，包括用于電流、溫度和電壓感應信號的AMC1306。（該器件用于在進入電機分流器的全部三個功率信號上進行電流感應，但為了減少細節(jié)，圖 2 僅顯示了一個信號。）該參考設計電路中的紅色虛線表示它進行了有效隔離，以實現(xiàn)安全性。AMC1306 三角形內(nèi)的省略號以及 UCC5320和 UCC23513 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 開關(guān)驅(qū)動器（這些開關(guān)驅(qū)動器也采用了 TI 的集成式電容隔離技術(shù)）內(nèi)的紅色虛線表示具體的增強型隔離點。

圖 2 顯示了使用 TMS320F28379D Delfino? 32 位浮點 MCU( 屬于 TI 的 C2000? MCU 系列，專為高性能計算和輕松編程而設計）及用于控制系統(tǒng)的外設集的控制處理。支持各種電機類型的 C2000 DesignDRIVE 軟件平臺可幫助加快算法開發(fā)和系統(tǒng)實現(xiàn)。InstaSPIN? 電機控制解決方案可提供用于評估、快速學習和快速開發(fā)的算法、工具和參考設計。TI 的 DSP 和模擬專業(yè)知識融合在綜合解決方案中，這些解決方案可以在開發(fā)者設計高級電機驅(qū)動控制時為他們節(jié)省時間。

用于集成制造的精密電機
更精確的控制、更出色的機器間通信、更廣泛的感應輸入以及機器人和人工智能中的新功能正推動著各個行業(yè)的不斷發(fā)展。這些進展正在帶來更高水平的集成自動化和數(shù)據(jù)交換，稱之為第四次工業(yè)革命或工業(yè) 4.0。

精確受控的電機為工業(yè) 4.0 作出了重要的貢獻，因為它們幾乎驅(qū)動工業(yè)機器的所有運動。TI 的先進技術(shù)在實現(xiàn)高分辨率電機控制方面發(fā)揮著重要的作用，它將繼續(xù)幫助制造商將電機和運行控制提升到更高的水平。

2.2.9 在整個溫度范圍內(nèi)發(fā)揮功率級的最大效用
在設計用于電機控制的功率級時，通過特別進行效率方面的考慮，可以降低系統(tǒng)總成本。這包括優(yōu)化場效應晶體管、開關(guān)節(jié)點和控制算法。在設計過程中，需要保護系統(tǒng)免受過熱問題的影響。如果系統(tǒng)達到一定溫度水平，則印刷電路板 (PCB) 上的組件將超出其規(guī)格范圍，因此可能會損壞組件并導致驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障。

溫度傳感器可以監(jiān)測并保護功率級組件，使驅(qū)動系統(tǒng)保持在安全工作區(qū)域 (SOA) 內(nèi)。SOA 是為某個系統(tǒng)定義的工作溫度范圍，表示該系統(tǒng)在特定視在負載或均方根 (RMS) 電流下處于驅(qū)動器可以支持而無需額外冷卻功能的階段中。工業(yè)設備的溫度范圍通常為 -40°C 至 85°C 的環(huán)境溫度。

圖 1 顯示了通過適用于伺服驅(qū)動器且具有智能柵極驅(qū)動器的?48V/500W 三相逆變器參考設計生成的 SOA 曲線。該曲線是根據(jù)熱像儀測試和 10ARMS 效率測量結(jié)果得出的。在假定零溫度誤差的情況下，可將該曲線用作負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻和 TI TMP235A2 傳感器的參考。SOA 的差異是傳感器溫度誤差的結(jié)果，表明需要安全裕度以確保在驅(qū)動器的 SOA 中運行。

?

圖 1.傳感器溫度誤差補償引起的 SOA 差異.

SOA 的溫度誤差降低如何影響系統(tǒng)性能？
圖 1 顯示了溫度誤差對于環(huán)境溫度下 RMS 電流的影響，其中假設 NTC 的誤差為 3.9°C 且 TMP235A2 的誤差為 2.0°C。借助于最大相電流與環(huán)境溫度關(guān)系的 SOA 曲線，可以確定在需要冷卻之前可能的最大相電流。在給定特定的溫度傳感器誤差的情況下，可以使用此最大相電流來計算功率級的功率降級。圖 2 是基于三相逆變器參考設計中的計算結(jié)果得出的。

?

圖 2.使用不同溫度傳感器在 85°C 時可用的視在負載.

可以看到，功率級可以支持 539W（如果可以正確無誤測量溫度）?，F(xiàn)在，由于傳感器的溫度誤差，需要添加安全裕度。此安全裕度意味著需要將功率級降低伺服驅(qū)動器功率級模塊系統(tǒng)潛在功耗用量的 4% 或 8%。如果功率級需要支持 500W（顯然可以實現(xiàn)，如圖 1 所示），但您選擇使用 NTC，則需要為系統(tǒng)增加額外的冷卻功能以支持系統(tǒng)的整個溫度范圍，或者重新設計系統(tǒng)以提高效率。

為確保僅在建議的溫度下使用功率級，溫度傳感器將監(jiān)測溫度，并在過熱情況下關(guān)閉功率級。由于溫度安全裕度，溫度傳感器的精度會影響功率級的最大溫度極限。下面我們將討論如何生成正確的配置以充分利用功率級，以及設計時應牢記的一些注意事項。

上文中，我們確定了溫度傳感器誤差會引入安全裕度，從而影響功率級的安全工作區(qū)域。除了傳感器誤差外，在圖 1 所示的比較中未考慮的另一個誤差是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 誤差，因為 TMP235A2 和負溫度系數(shù)熱敏電阻 (NTC) 都在傳遞模擬信號。ADC 誤差將對兩個信號產(chǎn)生同等影響，但是在較高溫度下，NTC 將具有非常明顯的非線性特征，這會增加獲得精確測量結(jié)果的難度。像 TMP235 這樣的硅溫度傳感器可在整個溫度范圍內(nèi)保持線性，因此更容易補償誤差。

TMP117 之類的數(shù)字溫度傳感器可以消除 ADC 誤差，并且獲得的視在負載明顯接近于使用熱像儀獲得的“理想”曲線。當系統(tǒng)在 85°C 的環(huán)境溫度下運行時，由于 IC 的自發(fā)熱作用，PCB 和 IC 的實際工作溫度會更高。典型的工業(yè)級 IC 具有125°C 或更高的工作溫度。

當環(huán)境溫度為 85°C 時，IC 的自發(fā)熱只能將 IC 的溫度最多升高40°C。如果 IC 升到更高溫度，IC 將超出工作溫度范圍。有關(guān)自發(fā)熱的更多詳細信息，請參閱：

設計指南：適用于伺服驅(qū)動器且采用智能柵極驅(qū)動器的?48V、500W 三相逆變器參考設計。

為避免工作溫度超出建議的溫度范圍，需要確保系統(tǒng)溫度不超過 125°C。在智能柵極驅(qū)動器參考設計中，熱像儀可測量溫度。在實際系統(tǒng)中，由熱敏電阻或 IC 傳感器測量該溫度。在圖1 所示的比較中，由于錯誤地假設熱像儀沒有誤差而且是理想化的，因此在計算中引入了一個小誤差。電阻溫度檢測器探針將提供更準確的基線感應方法。

各種傳感器類型的各種方法都會增加測量誤差，因此需要從理想測量中進行補償。誤差越小，三相逆變器在由于過熱誤差而必須關(guān)閉系統(tǒng)之前可以提供的功率就越大。換句話說，溫度傳感器將限制整個系統(tǒng)的視在負載能力，甚至無需查看柵極驅(qū)動器、FET 或其他任何影響功率級效率的因素。這就是為什么溫度傳感器精度如此重要的原因。

這對您的設計而言意味著什么？讓我們以智能柵極驅(qū)動器參考設計為例，比較 NTC 熱敏電阻與 TMP235A2 IC 溫度傳感器的溫度誤差。首先，您如何量化溫度誤差？

在 TMP235A2 的數(shù)據(jù)表中可以看到，其在整個溫度范圍內(nèi)的溫度誤差為 ±2°C。數(shù)據(jù)表中有一處小小的腳注引用了用于校正器件溫度漂移的查找表。

對于 NTC，計算誤差要花費更多時間。數(shù)學方程式可生成一個模型以用于計算誤差（攝氏度）。這些方程式通?？梢栽?NTC數(shù)據(jù)表或 NTC 應用手冊中找到。使用這些方程式可以生成代表 NTC 模型的曲線，如 TMP6131 參數(shù)仿真器中所示。

?

圖 3.使用 TMP6131 系統(tǒng)參數(shù)仿真器計算 NTC 的溫度誤差.

與查找表相反，TMP6131 系統(tǒng)參數(shù)仿真器可以仿真 NTC 模型并估計應用多項式擬合時的精度。圖 3 顯示了用于仿真的設置以及結(jié)果。

圖 2 中的藍色曲線定義了溫度誤差。使用的區(qū)間為 -40°C 至+125°C?？梢钥吹剑畲筘撜`差和正誤差分別為 -3.6°C 和+4.3°C。為了便于計算，我們將此溫度誤差范圍標準化為 NTC的 ±3.9°C。由于 NTC 在整個溫度范圍內(nèi)的非線性特征，因此應在系統(tǒng)的額定溫度范圍內(nèi)進行補償。

有兩種在軟件中線性化熱敏電阻的基本方法：多項式擬合和查找表。這些方法將使 NTC、PTC 和 TMP235A2 的測量值更接近理想的測量值和實際溫度。在仿真工具中，多項式擬合將減少線性化誤差。使用更高的多項式擬合階數(shù)可以提高 NTC 的精度，但也會增加處理器計算溫度所花費的時間。這種額外的計算時間會導致額外的功耗，因此也會影響系統(tǒng)效率。查找表需要處理器內(nèi)存。

仿真中不考慮校準誤差，但會對兩個傳感器的影響類似。

本章節(jié)將 NTC 精度誤差定義為 ±3.9°C，將 TMP235A2 誤差定義為 ±2°C，討論了這些誤差如何轉(zhuǎn)化為功率級總視在功率的降額，并解釋了溫度傳感器誤差對功率級系統(tǒng)性能的影響。

2.2.10 非分立式解決方案可為：如何簡化 48V 至60VDC 饋電的三相逆變器設計

假設您正在設計伺服、計算機數(shù)控 (CNC) 或機器人應用的下一個功率級。在本實例中，功率級是低壓直流饋電三相逆變器，其電壓范圍為 12VDC 至 60VDC，額定功率小于 1kW。該額定電壓涵蓋了通常在電池供電型電機系統(tǒng)或低壓直流饋電型電機系統(tǒng)中用于電池電壓的范圍。最重要的是，您的老板說：“順便說一句，你的設計不能對功率級進行額外冷卻。設計的尺寸必須盡可能小，以便適應目標應用的需求，當然，還必須保證低成本。”

沒問題，對吧？
好了，在這種情況下，有一種可行的解決方案使設計的逆變器可以滿足這位虛構(gòu)（但要求嚴苛的）老板的要求。

但是，在開始定義指定的功率級、電流感應和保護電路之前，必須查看一個適用于伺服驅(qū)動器且具有智能柵極驅(qū)動器的48V/500W 三相逆變器參考設計，此設計是非常真實且方便易用的參考設計。

這個適用于伺服驅(qū)動器且具有智能柵極驅(qū)動器的 48V/500W?三相逆變器參考設計使用高度集成的電路實現(xiàn)了小尺寸；集成電路中包括三個半橋柵極驅(qū)動器，它們具有 100% 占空比以及 50mA 至 2A 的可選拉電流/灌電流。VDS 感應可實現(xiàn)過流保護，防止損壞功率級和電機。VGS 握手特征可以保護功率級免遭脈寬調(diào)制配置錯誤所引起的擊穿。

典型低壓直流饋電伺服驅(qū)動器功率級的分區(qū)可類似于圖 1（其基于直流饋電伺服驅(qū)動器功率級模塊）。紅色框表示模塊。在圖 1 中，低壓直流饋電伺服驅(qū)動器涵蓋的模塊對系統(tǒng)性能有很大影響，并會影響設計注意事項。

可以向半橋柵極驅(qū)動器添加故障檢測功能來實現(xiàn) VDS 感應和軟關(guān)斷，由此構(gòu)建一個穩(wěn)健可靠的系統(tǒng)。這些集成特性使柵極驅(qū)動器系統(tǒng)能夠檢測到典型的過流或短路事件，而無需添加額外的電流感應或硬件電路來實現(xiàn)死區(qū)時間插入。因此，MCU不能提供錯誤的驅(qū)動信號，無法通過擊穿短路損壞功率級或電機。

圖 1.直流饋電伺服功率級.

為了構(gòu)建穩(wěn)健可靠的系統(tǒng)，需要考慮的一個因素是優(yōu)化效率以便降低散熱器和輻射發(fā)射（電磁干擾）的成本而不是提高開關(guān)速度。使用 100V 單橋或半橋場效應晶體管 (FET) 柵極驅(qū)動器來實現(xiàn)這些特性需要額外的有源和無源組件，這會增加物料清單 (BOM) 成本和 PCB 尺寸，同時會降低修改柵極驅(qū)動器強度等參數(shù)的靈活性。在分析系統(tǒng)效率時，電流感應電路、具有低 RDS(on) 的 FET 以及用于提高開關(guān)速度的低柵極電荷會影響系統(tǒng)效率表現(xiàn)。系統(tǒng)設計人員通常希望實現(xiàn) 99% 的功率級效率。

為了以最小的損耗實現(xiàn)連續(xù)的相電流感應，該參考設計使用了 1mΩ 直列式分流器。電阻值是精度與效率之間的折衷因素。

非隔離型直列式放大器的主要挑戰(zhàn)是系統(tǒng)使用的寬共模電壓（0V 至 80V），因為該參考設計中的分流器滿量程電壓為±30mV（設計目標是 ±30ARMS）。與 48V 的共模電壓相比，這是一個很小的信號。因此，需要一個具有大共模電壓范圍以及極高直流和交流共模抑制比的電流感應放大器。由于分流器阻抗較低，

具有附加集成式固定增益和零失調(diào)電壓的放大器可進一步幫助降低系統(tǒng)成本，同時確保高精度的電流測量。

一個 100VDC 降壓穩(wěn)壓器從直流輸入產(chǎn)生中間軌，為柵極驅(qū)動器和負載點供電。功率級需要高效運行以減少自發(fā)熱，從而滿足行業(yè)的工作環(huán)境溫度要求（通常為 85°C）。鑒于此要求，系統(tǒng)中使用的 IC 需要支持甚至更高的溫度，因為電子器件始終會出現(xiàn)一定的溫度增加情況（自加熱）。

該伺服驅(qū)動器參考設計已使用永磁同步電機在 0W 至 500W的輸出功率下進行了測試。圖 2 顯示電機負載由握力計進行控制。

結(jié)論
該三相逆變器參考設計展示了如何設計具有低 BOM 數(shù)量、同相電流感應、故障診斷功能和高效率的緊湊型硬件保護功率級。該參考設計使用具有降壓調(diào)節(jié)器的 TI DRV8530 100V三相智能柵極驅(qū)動器以及具有增強型脈寬調(diào)制抑制功能的INA240 80V 低側(cè)/高側(cè)雙向零漂移電流感應放大器（可以優(yōu)化低壓直流饋電功率級）。

?

圖 2.電機驅(qū)動器功率級的測試設置.

2.2.11 選擇用于三相電機驅(qū)動器的基于分流器的電流感應放大器
精確的相電流采樣會對矢量控制的工業(yè)電機驅(qū)動器三相逆變器的性能產(chǎn)生重大影響?？梢酝ㄟ^霍爾效應傳感器、磁通門傳感器、基于變壓器的磁傳感器或分流電阻器來測量電機相電流。磁傳感器可提供天然的隔離和寬電流范圍，而分流器解決方案則是具有成本效益的高線性、高帶寬感應選項。相電流可能會高達 100A，三相逆變器的工作電壓

介于 110 到 690VAC 或 12 到 60VDC 之間。為了獲得電機相電流，通常將分流器放在連接到接地端的直流鏈路回路處、底部開關(guān)與接地端之間或者與電機的三相電源內(nèi)聯(lián)（參閱圖 1）。每個分流器位置都各自利弊且具體要求不一，因此放大器可以將小分流電壓轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號以供微控制器 (MCU) 處理。圖 2 顯示了每個分流器位置在一個脈寬調(diào)制?(PWM) 周期中的理想分流電流與相電流。

圖 1.三相逆變器中的分流器選項.

?

圖 2.取決于分流器位置的分流器電流、相電流和共模.

從系統(tǒng)的角度來看，電機直列式分流器可提供重要的性能優(yōu)勢，而從放大器的角度來看，低側(cè)分流器是成本更低的解決方案，如表 1 所示。

在基于分流器的系統(tǒng)中，分流電阻和封裝要同時兼顧精度、熱性能、PCB 尺寸和成本。在電機驅(qū)動器中，分流電阻確保在最大相電流時的壓降通常介于 ±25mV 到 ±250mV 之間。隨后的放大器將小雙極分流電壓轉(zhuǎn)換為典型的單極輸出電壓，并使偏置電流與 ADC 的 3V 到 5V 輸入范圍匹配。增益設置通常介于10 到 100V 之間。

對于這三種分流器位置，隨溫度變化的分流電阻容差和漂移以及放大器的增益、輸入失調(diào)電壓和相關(guān)漂移都會對精度產(chǎn)生類似的影響。

考慮一個最大電壓為 ±50mV（100mV 滿量程輸入范圍）的分流器，并假設每個參數(shù)在工業(yè)溫度范圍內(nèi)都不會造成超過±0.1% 的絕對誤差。放大器輸入失調(diào)電壓不能 ≤100μV 且失調(diào)電壓漂移必須 ≤1μV/°C。放大器的增益設置電阻器以及分流器需要具有 0.1% 的容差以及 ≤10ppm/°C 的漂移。當然，并非所有驅(qū)動器都要求如此高的精度和參數(shù)尺度。與增益誤差不同，失調(diào)電壓誤差通常更為關(guān)鍵，因為它會造成與電流大小無關(guān)的絕對誤差，特別是在低電流條件下會影響逆變器的性能。

位置 1：直流鏈路與接地端之間的單一分流器
單一直流鏈路分流器在低成本、低功耗、矢量控制的風扇和泵中更為常用，在工業(yè)交流和伺服驅(qū)動器中用的較少。每個PWM 周期中，必須在兩種不同的 PWM 開關(guān)狀態(tài)下測量兩次直流鏈路電流，以重建三相電流。要在如此小的電壓條件下且在短測量周期內(nèi)執(zhí)行測量，需要使用類似 TI OPA835 的放大器。這款放大器可提供至少高達 20MHz 的大信號單位增益帶寬和可以在 <1μs 內(nèi)保持穩(wěn)定的高壓擺率 (>10V/μs)。這種方法不適用于零相電壓，因為除非使用復雜的 PWM 補償算法延長，否則所有三個 PWM 占空比都是 50%。

位置 2：低側(cè)分流器
低側(cè)分流器非常適合功率高達約 5kW 的緊湊型交流線路饋電逆變器，以及采用連接到電源接地端的非隔離式控制 MCU 的12 到 60VDC 饋電電機驅(qū)動器。這些分流器可以放在三相逆變器的兩個或三個引腳上。

和隨后的 ADC 一樣，放大器應采用單電源供電運行。由于分流器壓降以接地端為基準，因此接近于接地負軌的輸入共模電壓至關(guān)重要。為了在開關(guān)期間從接地反彈去耦，差分到單端配置中的放大器會將小雙極分流電壓轉(zhuǎn)換為單極電壓（通常為0V 到 3.3V，

?

表 1. 用于測量電機相電流的分流器位置的比較.

中偏置為 1.65V），以驅(qū)動 ADC。放大器的關(guān)鍵參數(shù)包括：

• 輸入共模電壓幾乎為零的

• 軌至軌輸入。?軌至軌輸出。

• 單電源電壓。

• 失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移，此參數(shù)可能不那么重要，因為可以在低側(cè)開關(guān)關(guān)閉時在每個 PWM 周期中測量失調(diào)電壓。

• 帶寬和壓擺率，這兩個參數(shù)會影響最短穩(wěn)定時間，此時間應小于低側(cè)開關(guān)的特定最短開通時間。

當使用三個分流器時，用于實現(xiàn)極短低側(cè)打開時間的權(quán)變措施應當只考慮具有最長打開時間的兩個相位，并計算出第三個相位。這種方法不適用于雙分流器解決方案；但是，放大器必須至少在指定的最短開通時間內(nèi)保持穩(wěn)定，通常甚至要在一半的最短開通時間內(nèi)保持穩(wěn)定，因為 PWM 通常以對稱方式對電流進行采樣。

表 2 提供了單位帶寬增益積為 10MHz 的放大器（例如?TLV9062）的示例穩(wěn)定時間。TLV9062 滿足這些規(guī)格要求并在單個 8 引腳封裝中提供雙放大器，因此，對于使用兩個低側(cè)相腳分流方法的系統(tǒng)，其 BOM 成本可降至最低。

為了進一步減少 BOM，設計人員可以取消外部增益設置電阻器和具有內(nèi)部固定增益設置的放大器，例如 INA181、INA2181（雙通道）和 INA4181（四通道）電流感應放大器。

位置 3：直列式電機分流器
對于 12 到 60VDC 饋送逆變器，非隔離式電流感應放大器以直流接地為基準，這種方法因可降低系統(tǒng)成本而極具吸引力。主要的挑戰(zhàn)在于巨大的共模電壓，這一電壓甚至比滿量程的分流電壓還高 100 到 1,000 倍。這樣就需要使用具有以下特性的放大器：

• 非常高的直流和交流共模抑制比 (CMRR)，可精確測量電流，而不會在瞬變之后產(chǎn)生長恢復紋波。直流 CMRR 應至少為 -100dB，輸出應在幾微秒內(nèi)保持穩(wěn)定。表 3 概要介紹了?CMRR 的影響。

• 用于在開關(guān)期間提供裕度的至少 -1V 到 70V 的寬共模電壓范圍，且直流鏈路電壓在電機制動期間增大。

和隨后的 ADC 或嵌入了 MCU 的 ADC 一樣，放大器應采用 3.3V 單電源運行。這樣就無需使用鉗位二極管來保護ADC 輸入。具有 400kHz 配置增益的放大器帶寬可提供用時≤1μs（10% 到 90%）的過電流采樣。采用這種配置時，很難補償失調(diào)電壓和增益誤差，特別是在工作溫度范圍內(nèi)。如前所述，失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移對于逆變器的低電流性能至關(guān)重要，可接受的失調(diào)電壓誤差取決于所需的電流測量精度。

?

表 2.穩(wěn)定時間和放大器增益帶寬.

?

表 3.CMRR 對精度的影響.

圖 3 顯示了采用增強 PWM 抑制和 48V 三相 GaN 逆變器的電流采樣放大器 (INA240) 的瞬態(tài)響應。借助高的直流和交流共模抑制，相電流可以在大約 2.5μs 內(nèi)趨穩(wěn)。假設執(zhí)行中心對齊的采樣，為了精確測量相應相電流而需要的最短 PWM 開通或關(guān)閉時間為 5μs。為了縮短開通/關(guān)閉時間，使用三分流器方法可以從另外兩個具有更長開通/關(guān)閉時間的相位計算出第三個相電流。

?

圖 3.在 48V 時的一個 PWM 周期中的直列式電流感應放大器和瞬態(tài)響應.

隔離式直列式相電流采樣
對于具有 300 到 1200VDC 直流鏈路電壓的交流線路饋送逆變器，隔離式放大器或 Δ-Σ 調(diào)制器可通過直列式分流器提供精確的相電流感應。隔離功能可以對表 1 中所示的高共模電壓和瞬變進行抑制。由于工業(yè)電機驅(qū)動器需要滿足國際電工委員會 (IEC) 61800-5-1 電氣安全要求，因此需要進行基本絕緣或增強絕緣?；净蛟鰪姼綦x式放大器和 Δ-Σ 調(diào)制器可用于此目的。

隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器
圖 4（下一頁）顯示了使用直列式分流器和隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器執(zhí)行的隔離相電流測量。這種方法可以測量三相電流或兩相電流并相應計算出第三個相電流。浮地分流電壓經(jīng)過低通濾波、放大并饋送到二階 Δ-Σ 調(diào)制器中，隨后與輸出隔離。隔離式輸出是調(diào)制器時鐘頻率（通常為 5MHz 到 20MHz）下的 1 和0 組成的位流。MCU 中的抽取濾波器必須處理此位流，以獲得精確的高分辨率結(jié)果。

從系統(tǒng)的角度來看，隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器應當提供：

• 一個帶有抗混疊濾波器的增益放大器。

±50mV 的輸入范圍與傳統(tǒng)的 ±250mV 范圍相比可以將分流器損耗減少 80%。

非常低的增益、失調(diào)電壓和相關(guān)漂移對于精度至關(guān)重要，因為很難對它們進行補償。非常低并具有 1μV/°C 漂移的50μV 失調(diào)電壓可以在 25°C 到 85°C 的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)小于0.11% 的誤差。

集成式抗混疊濾波器會將噪聲衰減到調(diào)制器時鐘頻率的一半以上，以免噪聲再次混疊并影響目標頻帶內(nèi)的精度。

共模輸入電壓應當至少是負滿量程輸入范圍的一半。

• 以 20MHz 時鐘頻率運行的 Δ-Σ 調(diào)制器，以便能夠執(zhí)行高精度、高線性、低延遲的電流感應。具有曼徹斯特編碼位流選項的調(diào)制器可以簡化從處理器到所有三個調(diào)制器的時鐘路徑。

• 寬范圍高側(cè)電源電壓和低電流消耗，最好使用集成式低壓降穩(wěn)壓器（例如 AMC1304），以便能夠使用浮動柵極驅(qū)動電源。

• 診斷功能，可檢測高側(cè)功率損耗，以免產(chǎn)生難以預料的測量結(jié)果。

• 基本或增強隔離，對電磁場具有高抗擾度并具有至少 10kV/μs 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可抑制開關(guān)節(jié)點瞬態(tài)。

• 互補金屬氧化物半導體或低電壓差分信號 (LVDS) 數(shù)字接口選件。在高噪聲環(huán)境中和對于長走線，LVDS 可實現(xiàn)更高的共模噪聲抗擾度。

處理器的抽取低通濾波器（例如 sinc 濾波器）通過切斷高頻率噪聲來設置輸出信號的帶寬和分辨率。有效位數(shù) (ENOB) 和建立時間會隨著 sinc 濾波器階數(shù)和過采樣率的增大而增加；參閱圖 5。數(shù)字濾波器的優(yōu)勢是可以在軟件中配置分辨率與帶寬和穩(wěn)定時間的關(guān)系，并可以對同一個位流應用兩個或更多的濾波器。這一優(yōu)勢有助于實現(xiàn)高分辨率相電流，以進行精確控制（例如使用 sinc3 濾波器實現(xiàn)的 12 ENOB 和 64 次過采樣）和非?？斓倪^電流感應（例如使用 sinc3 濾波器實現(xiàn)的 1.2μs和 8 次過采樣）。

?

圖 4.采用隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器且基于直列式分流器的相電流感應.
?

圖 5.20MHz 調(diào)制器時鐘 (AMC1306) 的 ENOB 和過采樣率以及建立時間。

隔離式放大器
圖 6 顯示了使用隔離式放大器的相電流采樣。隔離式放大器的非隔離式子系統(tǒng)（顯示為紅色）與圖 4 中的隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器相同。主要區(qū)別在于包含輸出濾波器（以藍色顯示的子系統(tǒng)）。具有固定截止頻率的有源低通濾波器可消除位流中的高頻率量化噪聲，并提供高線性差分模擬輸出。前面應該列出的Δ-Σ 調(diào)制器的特性也適用于隔離式放大器。但模擬帶寬和穩(wěn)定時間由硬件固定，并取決于器件的特定振蕩器時鐘和隔離式放大器的低通濾波器。

基于隔離式放大器的相電流感應系統(tǒng)具有三個轉(zhuǎn)換級：隔離式放大器、一個額外的差分到單端放大器和（通常情況下具有）單端的 12 位逐次逼近寄存器 ADC。短路檢測要求每個相位具有一個額外的窗口比較器。

主要系統(tǒng)優(yōu)勢在于，簡單的模擬接口可連接多種嵌入了 ADC的 MCU。對于單端 ADC，需要另一個不會導致性能下降的運算放大器。為了提高噪聲抗擾度，應將運算放大器放在靠近MCU 的位置，以保持盡可能長的模擬走線差分。從系統(tǒng)性能的角度來看，隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器系統(tǒng)非常出色。表 4 提供了比較。

結(jié)論
TI 為本文中介紹的每種系統(tǒng)配置提供了一個參考設計，并提供了詳細的硬件設計指南和系統(tǒng)測試結(jié)果。
?

圖 6.采用隔離式放大器且基于直列式分流器的相電流感應.

?

表 4.隔離式放大器與隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器的比較.

2.3.1 機器人系統(tǒng)中與伺服驅(qū)動相關(guān)的參考設計

查找更多有關(guān)機器人系統(tǒng)控制器的參考設計。

第 3 章：機械臂和驅(qū)動系統(tǒng)（機械手）
3.1.1 如何保護電池的電源管理系統(tǒng)免受熱損壞
如今，消費者希望其個人電子產(chǎn)品具有更長的電池壽命、更短的充電時間和更小的外形尺寸。不斷增大的充電和放電電流以及不斷減小的外形尺寸使得電池組容易受到熱損壞。此外，不同的電池技術(shù)對充放電溫度要求也不同，如表 1 所示。電池類型 充電溫度 放電溫度

?

表 1. 各種電池的常見充放電溫度限制.

電池的放電溫度范圍通常較寬，但充電溫度范圍會受到限制。如果電池溫度介于 10°C 至 40°C 之間，則可以安全地進行快速充電。這些溫度限制與電池化學和溫度相關(guān)的化學反應有關(guān)。如果充電速度太快，電池壓力會逐漸積累升高，導致泄氣，并縮短電池壽命。

如果工作溫度過高，則會發(fā)生電池降解并導致熱失控和爆炸。如果工作溫度過低，則會發(fā)生不可逆的電池化學反應，并縮短電池壽命。因此，電池溫度監(jiān)測對于電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要。

熱保護解決方案
無論是分立式還是集成式溫度傳感解決方案都可以保護電池管理系統(tǒng)免受熱損壞。如圖 1 所示，分立式解決方案包括熱敏電阻、比較器和電壓基準。這種方法可提供實時熱保護，而不會中斷控制處理系統(tǒng)。

?

圖 1.用于閾值檢測的熱敏電阻 + 比較器.

由于電池應用在高溫和低溫環(huán)境下均需提供保護，因此溫度窗口比較器是一個更好的解決方案。圖 2 展示了此輸出的一個示例。在此示例中，跳變點設置為 60°C 和 0°C，遲滯為10°C。

?

圖 2.溫度窗口比較器輸出行為示例.

請注意，圖 2 中的設置輸出高電平 (SOH) 是一個系統(tǒng)診斷測試功能，通過該功能，您可以獨立于溫度將輸出強制為高電平。

TI 可提供廣泛的溫度開關(guān)和熱敏電阻產(chǎn)品組合，例如 TMP303、TMP390 和 TMP61。TMP303 使用窗口比較器，并通過超小尺寸（小外形晶體管 563）、低功耗（最大 5μA）和低至 1.4V 的電源電壓能力提供了設計靈活性。無需額外器件即可正常運行，窗口比較器可以獨立于微處理器或微控制器正常工作。通過不同的器件選項可獲得七個跳變點，這些均可在出廠時編程為任何溫度。

圖 3 所示的 TMP390 是一個可通過電阻器進行編程并具有兩個內(nèi)部比較器和兩個輸出的雙輸出溫度開關(guān)。TMP390 采用相同的小型封裝，具有超低功耗（最大 1μA）和低電源電壓(1.62V) 特性。

圖 3.TMP390 框圖。

僅使用兩個電阻器，即可將高低溫跳變點配置為任何所需的溫度窗口，其中遲滯選項介于 5°C 至 30°C 之間。單獨的高低溫跳變輸出會產(chǎn)生獨立的警告信號，以供微處理器解釋。

3.1.2 保護電池并不像您想的那么難
對于任何類型的保護，解決方案理應簡單。保護方案一經(jīng)設計和設置，應該再無后顧之憂；至少應該是這樣。但是，當涉及到更多更好的電池保護時，您可能會擔心它們未來會產(chǎn)生什么后果。

鑒于電池保護電路通常位于電池組內(nèi)部看不見的地方，人們通常不會將其視為一種炫酷、時尚的新應用功能，因此可能無需您對其給予過多的關(guān)注。但是如果電池保護做得不好，可能會登上新聞頭條。

對于任何保護器件，人們都希望其設置簡單：一個可以保護您的系統(tǒng)但不會消耗大量電流的集成電路。TI 的 BQ77905 系列電池保護器適用于三到五節(jié)及更多串聯(lián)電池，其有助于以較低的功耗為您的系統(tǒng)提供所需的保護。

在電池應用中，您始終需要有一個主保護器來作為第一道防線；其后的任何保護都用作二級保護。二級保護是電池保護的最后保護手段，通常是簡單的過壓保護，例如 BQ7718 系列。圖 1 所示的 BQ77905 是電動工具、園藝工具、吸塵器和機器人應用（如無人機、掃地機器人和割草機器人）等應用的主要保護器。這些類型的工業(yè)消費類應用會給電池組造成巨大損害，因為消費者希望電動工具或掃地機器人能夠像使用交流電一樣正常工作。在這些應用中，典型的連續(xù)電流消耗可能高達 50A（在電動工具中），低至（但仍然很高）15A（在掃地機器人中）。

除了支持大電流消耗外，內(nèi)部電池組電路還需要消耗超低功耗，以延長電池壽命和總體運行時間。這就是平均電流消耗為GND 6μA 的 BQ77905 器件的用武之地。

圖 1.BQ77905 3 節(jié)至 5 節(jié)高級可堆疊低功耗電池保護器EVM。

工業(yè)消費類應用通常包括由 3 節(jié)（小型電動工具或無人機）、4節(jié)（無人機）、5 節(jié)（專業(yè)電動工具）、6 節(jié)（工業(yè)無人機）、7 節(jié)（真空吸塵器）、10 節(jié)（園藝工具或電鋸之類的大型電動工具）甚至20 節(jié)電池組成的電池組。為了適應這些不同尺寸，創(chuàng)建一個通用的電池組設計平臺，消除了不同 IC 架構(gòu)帶來的重新設計和再熟悉過程等相關(guān)工程成本。BQ77905 還具有堆疊功能，可為設計提供靈活的電池節(jié)數(shù)。

如果需要像電池平衡和休眠模式這樣的附加功能，則升級到BQ77915 可能是一個不錯的選擇。電池平衡在高電池節(jié)數(shù)應用中非常有用，這類應用需要通過保持每節(jié)電池適當平衡來延長電池組的壽命。

通常，保護應簡單明了、易于使用且不應花費太多（功耗、價格、安全性）。此外，電池保護器件應提供靈活性并支持各種電池節(jié)數(shù)的可擴展方法，從而有助于管理總體設計成本。保護永遠不應限制應用的功能。

3.1.3 機器人系統(tǒng)中與位置反饋相關(guān)的參考設計

第 4 章：傳感和視覺技術(shù)
4.1 機器人應用中的 TI 毫米波雷達傳感器
當腦海中浮現(xiàn)機器人的形象時，您可能會聯(lián)想到巨大的機械手臂，工廠車間里盤繞的隨處可見線圈和線束，以及四處飛濺的焊接火花。這些機器人與大眾文化和科幻小說中描繪的機器人大不相同，在后者中，機器人常以人們?nèi)粘Ｉ钪值男蜗笫救恕?/p>

如今，人工智能技術(shù)的突破正在推動服務型機器人、無人飛行器和自主駕駛車輛的機器人技術(shù)發(fā)展。

隨著機器人技術(shù)的進步，互補傳感器技術(shù)也在進步。就像人類的五官感覺一樣，通過將不同的傳感技術(shù)結(jié)合起來，可在將機器人系統(tǒng)部署到不斷變化、不受控制的環(huán)境中時取得最佳效果。

機器人傳感器技術(shù)
機器人傳感器技術(shù)包括力和扭矩傳感器、觸摸傳感器、1D/2D紅外 (IR) 測距儀、3D 飛行時間激光雷達 (LIDAR) 傳感器、攝像機、慣性測量單元 (IMU)、GPS 等?；パa金屬氧化物半導體(CMOS) 毫米波 (mmWave) 雷達傳感器是機器人感知方面一項相對較新的技術(shù)。CMOS 毫米波雷達傳感器可精確測量其視野范圍內(nèi)物體的距離以及任何障礙物的相對速度。這些傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點，如表 1 所示。

與基于視覺和激光雷達的傳感器相比，毫米波傳感器的一個重要優(yōu)勢是不受雨、塵、煙、霧或霜等環(huán)境條件影響。此外，毫米波傳感器可在完全黑暗中或在陽光直射下工作。這些傳感器可直接安裝在無外透鏡、通風口或傳感器表面的塑料外殼后，非常堅固耐用，能滿足防護等級 (IP) 69K 標準。此外，TI 的毫米波傳感器的體積小、重量輕，設計產(chǎn)品的體積是微型激光雷達測距儀的三分之一，重量是其一半。

?

表1.傳感器技術(shù)比較。

檢測玻璃墻
圖 1 說明了玻璃墻和隔墻在現(xiàn)代建筑中的應用，而服務型機器人（例如真空吸塵或拖地機器人）需要感知這些表面以防止碰撞。事實證明，使用攝像機和紅外傳感器很難檢測這些元素。但毫米波傳感器可檢測到玻璃墻的存在及其后面的物體。

圖 1.現(xiàn)代建筑廣泛使用玻璃表面。

為演示這一功能，我們設置了一個簡單的實驗，對 80cm 遠的一塊玻璃使用 IWR1443 單芯片 76GHz 至 81GHz TI 毫米波傳感器評估模塊 (EVM)。然后，我們玻璃后面 140cm 處的位置放置了一個墻板，如圖 2 所示。

?

圖 2.設置用于檢測玻璃墻的測試。

在毫米波演示可視化工具中使用 EVM 隨附的演示軟件和可視化工具，圖 3 中顯示的結(jié)果明確證明了 TI 毫米波傳感器可檢測玻璃墻面及其背后的墻板。

?

圖 3.顯示玻璃板和墻板檢測的測試結(jié)果.

使用 TI 毫米波傳感器測量對地速度
精確的里程計信息對于機器人平臺的自主移動必不可少。可通過測量機器人平臺上車輪或皮帶的轉(zhuǎn)動來獲得里程信息。然而，如果車輪在松散礫石、泥地或濕地等表面上打滑時，這種低成本方法顯然無法輕松湊效。

更先進的系統(tǒng)可通過增加一個 IMU（有時通過 GPS 進行增強）來確保里程信息非常精確。TI 毫米波傳感器可通過向地面發(fā)送線性調(diào)頻信號并測量返回信號的多普勒頻移，為穿越不平坦的地形或底盤俯仰和偏航情況較多的機器人提供額外的里程信息。

圖 4（下一頁）顯示了對地速度毫米波雷達傳感器在機器人平臺上的潛在配置。無論是將雷達指向平臺前（如圖所示）還是指向平臺后（農(nóng)用車輛的標準做法），都需要進行權(quán)衡。如果指向平臺前，則也可使用同一 TI 毫米波傳感器來檢測表面邊緣，避免不可恢復的平臺損失，如從倉庫裝運臺上跌落。如果指向平臺后，則可將傳感器安裝在平臺的重心點上，盡量減少俯仰和偏航對測量的影響，這在農(nóng)業(yè)應用中是一個大問題。

?

圖 4.機器人平臺上的對地速度雷達配置。

方程 1 可以計算均勻理想條件下的速度。

(1)

擴展方程 1 能夠補償變量（例如，導致傳感器俯仰、偏航和翻滾的非均勻地形）的速度測量誤差，并引入轉(zhuǎn)動速度分量。

機械臂周圍的安全防護裝置
隨著機器人在服務能力或在靈活的低批量處理自動化任務中與人類發(fā)生更多的交互，必須確保它們不會對與之交互的人造成傷害，如圖 5 所示。

?

圖 5.未來的機器人將與人類有更多的交互。

過去通常在機器人的工作區(qū)域周圍設置一個安全屏障或排除區(qū)域，確保物理隔離，如圖 6 所示。

圖 6.帶有物理安全籠的機械臂。

傳感器使虛擬安全幕或氣泡能夠?qū)C器人操作與非計劃的人類交互分開，同時避免機器人與機器人發(fā)生由于密度和操作可編程性增加而導致的碰撞?；谝曈X的安全系統(tǒng)需要受控的照明，這會增加能耗、產(chǎn)生熱量且需要維護。在塵土飛揚的制造環(huán)境（如紡織或地毯編織）中，需要經(jīng)常清潔和觀察透鏡。

由于 TI 毫米波傳感器非常強大，無論車間的照明、濕度、煙霧和灰塵情況如何，都可以檢測物體，因此它們非常適合取代視覺系統(tǒng)，并能以極低的處理延遲（通常少于 2ms）提供這種檢測。由于這些傳感器視野寬闊且探測距離較長，將其安裝在工作區(qū)域上方可簡化安裝過程。只使用一個毫米波傳感器即可檢測多個物體或人員，減少所需傳感器數(shù)量并降低成本。

毫米波傳感器生成的點云信息
TI 毫米波雷達傳感器可通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將射頻 (RF) 前端模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式。這種數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)需要高速外部數(shù)據(jù)總線，以將數(shù)據(jù)流引入處理鏈，然后經(jīng)過一系列數(shù)學運算對在傳感器視野范圍內(nèi)檢測到的點生成距離、速度和角度信息。由于這些系統(tǒng)通常規(guī)模較大且成本高昂，因此 TI 設法將所有這些功能集成到了一個單片CMOS 器件上，從而減小尺寸并降低成本和功耗。額外的數(shù)字處理資源現(xiàn)可進行聚合、跟蹤和分類等任務的數(shù)據(jù)后處理，如圖 7 所示。

圖 7.TI 毫米波傳感器處理鏈.

走在 TI 毫米波傳感器前面的人會產(chǎn)生多個反射點。在機器人操作系統(tǒng) (ROS) 可視化 (RVIZ) 工具中，可將檢測到的所有點映射到相對于傳感器的 3D 區(qū)域中（如圖 8 所示）。此映射會收集四分之一秒內(nèi)的所有點。收集到的點信息密度可提供高保真度，可清晰看到腿和手臂的運動，因此物體分類算法會將其歸類為一個移動的人。3D 區(qū)域中開放空間的清晰性對于移動機器人來說也是非常重要的數(shù)據(jù)，可確保它們能夠自主操作。

?

圖 8.RVIS 中顯示的由 IWR1443 EVM 捕捉的人體點云.

使用 TI 毫米波傳感器映射和導航

使用 IWR1443 EVM 檢測到的物體點信息，然后就可以演示如何使用 TI 毫米波雷達精確地映射房間內(nèi)的障礙物并在確定的自由空間內(nèi)進行自主操作。為了快速演示如何在映射和導航應用中使用毫米波雷達，我們選擇了 Robot OS 機器人開源Turtlebot 2 開發(fā)平臺，并在該平臺上安裝了 IWR1443 EVM，如圖 9 所示。

?

圖 9.安裝在 Turtlebot 2 上的 IWR1443 EVM.

通過對 EVM 實現(xiàn)基本驅(qū)動程序 (ti_mmwave_rospkg)，我們使用 OctoMap 和 move_base 庫將點云信息集成到導航堆棧中，如圖 10（下一頁）所示。

圖 10.與配備有 IWR1443 EVM 的 Turtlebot 2 配合使用的 Robot OS 庫導航堆棧

我們在室內(nèi)辦公環(huán)境中設置障礙并使 Turtlebot 2 通過該區(qū)域，使用 OctoMap 庫建立一個 3D 占據(jù)柵格地圖。圖 11 是使用 RVIZ 的占據(jù)柵格屏幕截圖。

?

圖 11.在 Robot OS 中使用 OctoMap 庫生成占據(jù)柵格地圖.

我們使用的是通過 move_base 從 OctoMap 生成的地圖，輸入最終目的地和姿勢位置，如圖 12 屏幕截圖中的綠色箭頭所示。Turtlebot 2 成功高效地導航到了選定的位置，然后旋轉(zhuǎn)到適當?shù)淖藙?，避開了其路線中的靜態(tài)和動態(tài)物體。這證明了使用一個面向未來的毫米波傳感器快速在 Robot OS 環(huán)境中進行基本自主機器人導航的效果。

?

圖 12.使用 IWR1443 EVM 占據(jù)柵格地圖和 Robot OS move_base 庫使 Turtlebot 2 進行自主導航.

結(jié)論
TI 毫米波傳感器最初非常昂貴且尺寸較大，并需要多個分立組件。然而，由于現(xiàn)在 TI 將射頻、處理和內(nèi)存資源集成到一個單片CMOS 芯片上，可以說毫米波傳感器將補充或取代傳統(tǒng)的機器人傳感技術(shù)。

與其他技術(shù)相比，TI 毫米波傳感器的優(yōu)勢如下：

• TI 毫米波傳感器對環(huán)境條件（如陽光直射、陰影或水的光反射）不敏感。

• TI 毫米波技術(shù)可檢測玻璃墻、隔墻和家具，而基于光的傳感解決方案則可能無法做到。

• TI 毫米波傳感器提供物體的多普勒速度信息，因此在車輪在潮濕表面可能會打滑時有助于增強機器人里程測量能力。

• TI 毫米波傳感器的機械復雜度較低，從而減少了制造校準和誤差校正過程。沒有通風口或透鏡，它們可直接安裝在塑料外殼后。集成校準意味著在線制造復雜性更低。廣闊的視野使得不再需要機械旋轉(zhuǎn)式的傳感器機制。

• 集成式的單個單片 CMOS TI 毫米波傳感器使所有處理都可在傳感器內(nèi)發(fā)生。與基于視覺的系統(tǒng)相比，這降低了BOM 成本、縮小了尺寸并減少了中央控制器處理器需要提供的每秒百萬指令數(shù) (MIPS)。

TI 毫米波傳感器技術(shù)提高了機器人的智能化操作，同時在實際環(huán)境中增強了耐用性。這項技術(shù)的應用將進一步加快機器人系統(tǒng)的快速采用。

4.2 邊緣智能賦能自主工廠
從傳統(tǒng)的工業(yè)機器人系統(tǒng)到如今最新的協(xié)作機器人，各種機器人都依賴于能夠生成并處理數(shù)量龐大、種類紛多的數(shù)據(jù)的傳感器。這些數(shù)據(jù)有助于在自主機器人中進行實時決策，從而實現(xiàn)更智能的事件管理，同時在動態(tài)的現(xiàn)實環(huán)境中保持工作效率，如圖 1 所示。

TI 毫米波傳感器如何在工廠實現(xiàn)邊緣智能
德州儀器 (TI) 毫米波傳感器有一個集成處理器，該處理器可以處理片上數(shù)據(jù)以進行實時決策。相較于某些基于光或視覺的傳感器，這種集成有助于實現(xiàn)更小的設計。

?

圖 1 毫米波傳感技術(shù)有助于監(jiān)測機器周圍區(qū)域以便進行實時事件管理。

此外，只需使用一個傳感器即可檢測多個物體并處理數(shù)據(jù)，因此可降低總體系統(tǒng)成本。

不受灰塵、煙霧和可變光照等環(huán)境條件影響是工廠環(huán)境中的另一個重要考慮因素。TI 毫米波傳感器可以在任何這類條件下運行，并可安裝在塑料外殼后面，無需外部透鏡、通風口或傳感器表面。所有這些屬性使得毫米波傳感器在工業(yè)傳感應用中具有出色表現(xiàn)。

TI 毫米波技術(shù)不僅可以實現(xiàn)距離測量
智能邊緣處理使工廠機器和機器人能夠與人類進行交互并減少事故發(fā)生。例如，可以配置 TI 毫米波傳感器，使其監(jiān)測機器周圍的特定區(qū)域、定義排除區(qū)域以及向該區(qū)域內(nèi)的人員發(fā)出警告。通過對這些區(qū)域進行分區(qū)，可讓傳感器根據(jù)區(qū)域占用或人員靠近情況做出相應的反應。

?

圖 2 說明了此功能，其中將區(qū)域標記為安全（綠色）、警告（黃色）和危險（紅色）以指示與機器的接近程度。

TI 毫米波傳感器可精確測量其視野范圍內(nèi)物體的距離以及任何障礙物的相對速度。因此，機器人可以根據(jù)物體接近傳感器的速度采取更具預測性的操作，例如停止機器。圖 3 顯示了機器如何根據(jù)人員接近機器的速度快速觸發(fā)危險區(qū)域警告。

?

圖 2.一個人緩慢走過機器，在 1m 處開始閃爍危險信號.
?? ?(a) (b)

?

圖 3.當人緩慢行走時在 1m 處觸發(fā)危險信號 (a)；當人快速行走時在 2m 處危險信號 (b).

為了提高生產(chǎn)率，您希望避免因誤觸發(fā)而停止機器。圖 4 中的示例顯示了集成的跟蹤算法如何讓傳感器精確判定人的方向。當人離開機器時，不會開啟警告信號，也不會采取其他任何操作。

簡化設計并加快開發(fā)速度
為了簡化機器人系統(tǒng)的設計以及縮短開發(fā)時間，使用具有集成封裝天線的毫米波傳感器的區(qū)域掃描儀參考設計使用了IWR6843 EVM，該模塊在 60GHz 頻段上工作并在器件上集成了完整的雷達處理鏈。

?

圖 4.由于人正在離開機器，傳感器不指示危險信號.

4.3 對智能機器人使用超聲波傳感
在不久的將來，機器人將執(zhí)行人類目前執(zhí)行的許多任務。我們已經(jīng)有了掃地機器人幫助我們打掃房屋，還有割草機器人可以在院子里割草。在工廠車間，機器人正在制造我們使用的從牙刷到汽車的各種產(chǎn)品。機器人在中國和日本的餐廳提供服務，而無人機則在給農(nóng)場施肥以及運送貨物。

因此，不久之后，機器人就可以幫助我們建造房屋、鋪設道路以及駕駛車輛。但是，為了實現(xiàn)這樣一個未來世界，一項關(guān)鍵要求是使機器人具有與人類相似的感官。

機器人設備的最大挑戰(zhàn)之一是如何在不撞到墻壁、家具、設備、人類或其他機器人的情況下找到自己的行走路徑。為了避開障礙物并高效完成工作，機器人應能夠檢測到幾英尺到幾厘米遠的障礙物，以便它們有時間導航到其他地方。

檢測障礙物的常用技術(shù)包括：

• 超聲波傳感，這種技術(shù)可以發(fā)送超聲波并偵聽從任何障礙物反射回來的回聲。

• 光學飛行時間 (ToF) 傳感器，這種傳感器使用光電二極管捕獲來自障礙物的反射光波。

• 雷達傳感器，這種傳感器使用射頻波和物體返回的回波來確定運動物體的方向和距離。

第一種技術(shù)（超聲波傳感）是一種替代雷達的低成本且低速的方案，適用于在家中和工廠中不需要高速運行的機器人。由于超聲波傳感不受障礙物反射光量的影響，因此在避開障礙物方面，超聲波傳感比光學 ToF 傳感更可靠。超聲波傳感的另一個好處是它使用聲波而不是光來檢測物體，因此可以感應玻璃或任何其他透明表面。

機器人的大量應用
例如，一個掃地機器人根據(jù)命令或按照設定的計劃離開其基座，然后在房屋中移動以清掃地板。設計此系統(tǒng)時，一種好方法是使用嵌入在掃地機器人側(cè)面的超聲波傳感器提供 360 度全覆蓋。傳感器的間距和數(shù)量將取決于掃地機器人的形狀和超聲波傳感器的視野 (FOV)。

當掃地機器人運動時，超聲波傳感器網(wǎng)絡會映射障礙物，計算障礙物的距離，并將此信息提供給中央處理單元 (CPU) 以避開障礙物。集成超聲波傳感器的類似方法也適用于割草機器人、互動玩具機器人或者餐廳或零售機器人，如圖 1 所示。

圖 1.服務機器人的示例.

第二個示例是裝配線機器人以及在工廠車間內(nèi)及在工廠車間與倉庫之間移動原材料或成品的機器人。

在如今的工廠中，機械臂四處移動拾取和放置零件并安裝螺母和螺栓來組裝產(chǎn)品，如圖 2 所示。工廠所有者和機器人系統(tǒng)制造商的主要關(guān)注點在于如何在機械臂上安裝傳感器，從而防止地板上的多個機器人之間發(fā)生碰撞。在機械臂或機器人移動車輛上的適當位置安裝的超聲波傳感器可以提供有關(guān)附近物體的情報，以及可由這些機器人系統(tǒng)的 CPU 用來避免碰撞的距離信息。

?

圖 2.裝配線機器人系統(tǒng)組件.

在機器人中使用的超聲波避障系統(tǒng)的組件包括：

• 超聲波傳感器。這些傳感器是壓電式晶體，當施加交流電壓時會振蕩產(chǎn)生超聲波，而當回波返回時則反之。這里有兩種類型的傳感器：頂部封閉的傳感器，其中的壓電式晶體經(jīng)過密封（保護其免受環(huán)境影響）；頂部敞開的傳感器，其中的晶體暴露或覆蓋著類似于網(wǎng)狀網(wǎng)絡的東西。頂部封閉的傳感器需要較高的驅(qū)動電壓，進而需要附加的系統(tǒng)組件：變壓器。

• 變壓器。單端或中心抽頭變壓器將產(chǎn)生驅(qū)動頂部封閉的傳感器所需的高電壓。

• 超聲波信號處理器和傳感器驅(qū)動器。例如，TI 的 PGA460 可以驅(qū)動變壓器，處理從回波返回的電信號，并實時計算每個相關(guān)回波的 ToF 數(shù)據(jù)。

• CPU。機器人系統(tǒng)的此組件使用來自機器人周圍多個超聲波傳感器的 ToF 信息來映射障礙物，并根據(jù)機器人的編程情況來停止或幫助其避開障礙物。

圖 3 是超聲波收發(fā)器模塊的示例，該模塊整合了超聲波傳感器和 TI PGA460 超聲波信號處理器和驅(qū)動器 IC。該模塊的設計文件可用作參考。

開始使用超聲波傳感
超聲波傳感是適用于家庭和工廠機器人系統(tǒng)的經(jīng)濟、可靠和實用的解決方案。TI 提供了若干不同的器件和各種各樣的配套工具，旨在幫助您快速開發(fā)基于超聲波傳感的設計。

?

圖 3.超聲波收發(fā)器模塊示例.

4.4 傳感器數(shù)據(jù)如何賦能機器人技術(shù)中的 AI
從傳統(tǒng)的工業(yè)機器人系統(tǒng)到如今最新的協(xié)作機器人（簡稱“cobot”），各種機器人都依賴于能夠生成數(shù)量日益龐大、種類紛繁多樣的數(shù)據(jù)的傳感器。

這些數(shù)據(jù)可以幫助構(gòu)建更好的機器學習 (ML) 和人工智能 (AI)模型，機器人可以依靠這些模型來實現(xiàn)自主性，從而做出實時決策并在動態(tài)的現(xiàn)實環(huán)境中導航。

工業(yè)機器人通常放置在封閉的環(huán)境中，當人類進入其環(huán)境時將停止運轉(zhuǎn)。但是限制人類與機器人協(xié)作會導致無法實現(xiàn)許多好處。自主能力將使人類與機器人安全高效地共存。

機器人應用中的傳感和智能感知非常重要，因為機器人系統(tǒng)（尤其是 ML/AI 系統(tǒng)）的有效性能在很大程度上取決于向這些系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳感器的性能。如今，各種越來越精密和精確的傳感器，再加上能夠?qū)⑺羞@些傳感器數(shù)據(jù)融合在一起的系統(tǒng)，使得機器人擁有越來越出色的感知和意識。機器人的感知能力示例如圖 1 所示。

AI 的發(fā)展
一段時間以來，機器人自動化一直是制造業(yè)中的一項革命性技術(shù)，但是在未來幾年中，將 AI 集成到機器人中有望改變整個行業(yè)。

?

圖 1.機器人的不同感官.

機器人和自動化目前有哪些主要趨勢？什么樣的技術(shù)會將 AI與需要智能化的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來？最后，TI 傳感器是如何運用（融合）到 AI 系統(tǒng)中的？

將機器人的 AI 處理推向邊緣
ML 包含兩個主要部分：訓練和推理，兩者可以在完全不同的處理平臺上執(zhí)行。訓練部分通常在桌面平臺或云中離線進行，需要將大量數(shù)據(jù)集饋送到神經(jīng)網(wǎng)絡中。實時性能或功耗在該階段不會有問題。訓練階段的成果是經(jīng)過訓練的 AI 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在部署后可以執(zhí)行特定任務，例如檢查裝配線上的瓶子、對房間內(nèi)的人進行計數(shù)和跟蹤或確定票據(jù)是否是偽造的。

但是，為了讓 AI 在許多行業(yè)中發(fā)揮其應有的作用，推理（此部分旨在執(zhí)行經(jīng)過訓練的 ML 算法）期間產(chǎn)生的傳感器數(shù)據(jù)必須進行（近乎）實時的融合。因此，ML 和深度學習模型必須處于邊緣，將推理部署到嵌入式系統(tǒng)中。

假設為了與人類緊密協(xié)作而構(gòu)建了一個協(xié)作機器人。該機器人依靠來自接近傳感器和視覺傳感器的數(shù)據(jù)來確保成功保護人類免受傷害，同時支持人類從事對人類而言具有挑戰(zhàn)性的活動。所有這些數(shù)據(jù)都需要實時處理，但云計算速度不足以支持協(xié)作機器人所需的實時低延遲響應。為了突破這一瓶頸，當今的先進 AI 系統(tǒng)被推到了邊緣，對于機器人來說，這意味著必須具備板載處理能力。

去中心化的 AI 模型
去中心化的 AI 模型依賴于具有以下功能的高度集成式處理器：

• 豐富的外設，用于連接各種傳感器。

• 高性能處理能力，可以運行機器視覺算法。

• 一種加速深度學習推理的方法。

為了存在于邊緣，所有這些功能還必須具有高效率、相對較低的功耗和較小的尺寸。

隨著 ML 越來越流行，功耗和大小經(jīng)過優(yōu)化的“推理引擎”也越來越多。這些引擎是專門用于執(zhí)行 ML 推理的專用硬件產(chǎn)品。

集成式 SoC 通常是嵌入式領域中一個不錯的選擇，因為除了容納能夠執(zhí)行深度學習推理的各種處理元件外，SoC 還集成許多用于整個嵌入式應用的必要組件。一些集成式 SoC 包括顯示、圖形、視頻加速和工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能，使單芯片解決方案的功能不僅限于運行 ML/AI。

Sitara? AM57x 處理器是在邊緣運行 AI 的處理器典范。這些處理器具有用于連接多個傳感器（例如視頻、ToF、LIDAR 和毫米波傳感器）的多個高速外設，還包括以 C66x 數(shù)字信號處理器內(nèi)核和嵌入式視覺引擎子系統(tǒng)形式呈現(xiàn)的專用硬件，旨在加速 AI 算法和深度學習推理。

讓我們看看目前機器人的一些主要技術(shù)趨勢。

協(xié)作機器人
人類通常無法接近處于運行狀態(tài)的傳統(tǒng)工業(yè)機器人，否則會置身于危險之中。相反，協(xié)作機器人旨在與人類一起安全工作（如圖 2 所示），能夠緩慢從容地移動。

根據(jù)國際標準化組織 TS 15066 的定義，協(xié)作機器人是一種能夠在協(xié)作性操作過程中使用的機器人，在這種操作過程中，機器人和人類可以在定義的工作區(qū)中同時進行生產(chǎn)操作（這不包括機器人加機器人系統(tǒng)或并置的人類與機器人，它們是在不同時間進行操作）。由于需要定義和部署協(xié)作機器人來預見機器人的物理部分（或諸如激光之類的虛擬擴展部分）與操作員之間可能發(fā)生的碰撞，因此使用傳感器來確定操作員的確切位置和速度變得更加重要。

協(xié)作機器人制造商必須在機器人系統(tǒng)中實現(xiàn)高水平的環(huán)境感知和冗余度，以快速檢測和防止可能發(fā)生的碰撞。連接到控制單元的集成傳感器將感應機器人手臂與人類或其他物體之間即將發(fā)生的碰撞；在即將發(fā)生的碰撞時，控制單元將立即關(guān)閉機器人。如果任何傳感器或其電子電路出現(xiàn)故障，機器人也會關(guān)閉。

隨著協(xié)作機器人在苛刻的工業(yè)環(huán)境中變得越來越強大，制造商將在工廠車間增加越來越多的協(xié)作機器人，尤其是那些具有嚴格投資回報率目標并希望縮短產(chǎn)品周期的制造商。

物流機器人
物流機器人是在可能有人在場或不在場的環(huán)境（例如倉庫、配送中心、港口或園區(qū)）中工作的移動裝置。物流機器人取回貨物并將其帶到包裝站，或者將貨物從公司現(xiàn)場的一處建筑物運到另一處；有些物流機器人也可以提取和包裝貨物。這些機器人通常在特定環(huán)境中移動，并且需要傳感器來進行定位、制圖以及防止碰撞（尤其是與人的碰撞）。

直到最近，大多數(shù)物流機器人都使用的是預先定義的路線；而現(xiàn)在，物流機器人能夠根據(jù)其他機器人、人類和包裹的位置來調(diào)整導航。超聲波、紅外和激光雷達 (LIDAR) 傳感都是支持性技術(shù)。由于此類機器人需要移動，因此控制單元位于內(nèi)部，通常與中央遠程控制單元進行無線通信。物流機器人現(xiàn)在采用更先進的技術(shù)，例如 ML 邏輯、人機協(xié)作和環(huán)境分析技術(shù)。

?

圖 2.協(xié)作機器人在工廠環(huán)境中與人類一起工作.

不斷上漲的人工成本和嚴格的政府法規(guī)正在推動物流機器人的普及。此類機器人越來越流行還得益于設備成本、傳感器等組件的成本以及集成成本不斷降低（以及所需時間不斷減少）。工業(yè)機器人設計工程師指南 59 2Q 2020 I 德州儀器 (TI)

最后一英里的送貨機器人
在產(chǎn)品從倉庫貨架到客戶家門口的旅程中，最后一英里送貨是該過程的最后一步：包裹最終到達買家的家門口。除了影響客戶滿意度之外，最后一英里送貨既昂貴又費時。

最后一英里的送貨成本占總運送成本的很大一部分：總體上占 53%。因此，提高最后一英里的送貨效率已成為開發(fā)和實施可以推動流程改進和提高效率的新機器人技術(shù)的重點。

ToF 光學傳感器
此類傳感器依賴于 ToF 原理，并使用光電二極管（單個傳感器元件或陣列）以及主動照明來測量距離。來自障礙物的反射光波將與透射光波進行比較以測量延遲，而該延遲可以表示距離。然后，此數(shù)據(jù)有助于創(chuàng)建物體的 3D 地圖。

TI 的 ToF 芯片組支持基于 ToF 的傳感，這種傳感技術(shù)超越了接近檢測功能，可支持下一代機器視覺。此類芯片組支持最大限度的靈活性，允許開發(fā)者使用各種工具來定制用于機器人視覺和其他應用的設計；這些工具中包括評估模塊和高度可配置的攝像頭開發(fā)套件，而此套件可提供每個像素的 3D 位置以繪制有助于進行定制的精確深度圖。分立式解決方案利用各種拓撲和半導體技術(shù)，例如時數(shù)轉(zhuǎn)換器和 GaN，如LIDAR 脈沖飛行時間參考設計和適用于 LIDAR 的納秒級激光驅(qū)動器參考設計中所示。

諸如 TI OPT8320 之類的 3D ToF 傳感器使機器人能夠確定螺釘?shù)臏蚀_角度，然后微調(diào)螺絲刀，使螺釘始終對準，無需人工干預。像 OPT3101 這樣基于 ToF 的模擬前端可以幫助識別機械臂到目標的距離，并有助于精確定位。

對于更高分辨率的 3D 傳感，靈活的結(jié)構(gòu)光（采用 DLP? 技術(shù)實現(xiàn)，如基于 AM572x 處理器并采用 DLP 結(jié)構(gòu)光的 3D 機器視覺參考設計中所示）有助于將分辨率提高到微米級或以下。

溫度和濕度傳感器
許多機器人需要測量機器人所在環(huán)境以及機器人組件（包括電機和主要的 AI 主板）的溫度，有時還需要測量濕度，以確保它們在安全范圍內(nèi)運行。這一點對于機器人尤其重要，因為電機在承受重負載時功耗極高并發(fā)熱。

精確的溫度監(jiān)測可以保護電機，同時更高的溫度精度能夠使電機在達到安全裕度極限之前更難以驅(qū)動。此外，幾乎所有其他傳感器都對溫度敏感并受益于熱補償。通過了解溫度，即可校正其他傳感器的溫度漂移，進而獲得更準確的測量結(jié)果。

在靠近赤道的工廠和熱帶氣候地區(qū)，溫度和濕度傳感器可以預測露點，便于進行電子系統(tǒng)保護和預測性維護。

超聲波傳感器
如果機器人被強光照射或發(fā)現(xiàn)自身處于非常黑暗的環(huán)境中，視覺傳感器可能無法工作。通過發(fā)射超聲波并偵聽從物體反射回來的回聲（類似于蝙蝠的做法），超聲波傳感器在黑暗或明亮的條件下均具有出色的性能，可以克服光學傳感器的局限性。

超聲波傳感是一種替代雷達的低成本低速技術(shù)，適用于不需要高速運行的機器人。由于超聲波傳感不受障礙物反射光量的影響，因此在避開障礙物方面，超聲波傳感比光學 ToF 更可靠。例如，超聲波傳感使用聲波而不是光來檢測物體，因此可以感應玻璃或其他透明表面。

振動傳感器
預測性維護需要進行狀態(tài)監(jiān)控，工業(yè)振動傳感便是其中不可或缺的技術(shù)。集成式電子壓電式傳感器是工業(yè)環(huán)境中最常用的振動傳感器。

振動傳感器使機器人能夠知道其某些機械裝置是否已損壞或老化，從而有助于在操作瀕臨危險之前進行預防性維護。使用AI/ML 可以使這些預測的準確性更上一層樓。

毫米波傳感器
毫米波傳感器使用無線電波（圖 3）及其回波來測量三個分量（速度、角度和范圍），從而確定移動物體的方向和距離。因此，機器人可以根據(jù)物體接近傳感器的速度采取更具預測性的操作。雷達傳感器在黑暗中具有出色的性能，并可以穿透石膏板、塑料和玻璃等材質(zhì)進行感應。

如《機器人應用中的 TI 毫米波雷達傳感器》白皮書所述，CMOS 毫米波雷達傳感器能夠以極高的精度測量其視野范圍內(nèi)物體的距離以及任何障礙物的相對速度。

互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 毫米波雷達傳感器能夠以極高的精度測量其視野范圍內(nèi)物體的距離以及任何障礙物的相對速度。

TI 高度集成的單芯片毫米波雷達傳感器具有體積小、重量輕的特點，支持在傳感器邊緣進行實時處理，通常無需額外的處理器。

采用毫米波技術(shù)的設計的體積是微型激光雷達測距儀的三分之一，重量是其一半。與基于視覺的系統(tǒng)相比，這降低了 BOM成本、縮小了尺寸并減少了中央控制器處理器需要提供的每秒百萬指令數(shù)。這些傳感器可直接安裝在無外部透鏡、通風口或傳感器表面的塑料外殼后，非常堅固耐用，能滿足防護等級69K 標準。

毫米波傳感器最初非常昂貴且尺寸較大，并需要多個分立組件。然而，由于現(xiàn)在 TI 將射頻、處理和內(nèi)存資源集成到一個單片 CMOS 芯片上，可以說毫米波傳感器將在未來幾年補充或取代傳統(tǒng)的機器人傳感技術(shù)。

更先進的雷達傳感系統(tǒng)可通過增加一個慣性測量單元（有時通過 GPS 進行增強）來確保里程信息非常精確。毫米波傳感器可通過向地面發(fā)送線性調(diào)頻信號并測量返回信號的多普勒頻移，為穿越不平坦的地形或底盤俯仰和偏航情況較多的機器人提供額外的里程信息。

?

圖 3.采用毫米波傳感器的機械臂.

適用于整個 AI 機器人信號鏈的 TI 解決方案
自我學習的自適應 AI 機器人系統(tǒng)的信號鏈需要實時融合各種傳感器數(shù)據(jù)。協(xié)作機器人的傳感器在某些方面類似于人類的五種感官，所有這些感官對于完全自主操作都是至關(guān)重要的。人類的每一種感官都使用大腦的不同部分以及不同的大腦處理工作量。例如，視覺比聽覺或嗅覺需要更多的腦力。

與之類似，機器人將有越來越多的傳感器連接到機器人內(nèi)部運行的 AI 和 ML 系統(tǒng)，因此 AI 機器人系統(tǒng)制造商面臨的主要挑戰(zhàn)在于，他們需要處理由混合傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合 ML 系統(tǒng)中多個并行運行并通信的 AI 系統(tǒng)。

機器人開發(fā)人員可依賴高級 IC 解決方案以最大程度地減少電路設計和認證帶來的麻煩，加快產(chǎn)品開發(fā)速度，使其能夠快速交付給工業(yè)客戶。推動工業(yè)機器人進步的 IC 必須提供精確的傳感、高速傳感器信號轉(zhuǎn)換、快速計算/信號處理，以實現(xiàn)實時響應和高速通信。IC 還能與 GaN FET 等先進的半導體配合使用，以實現(xiàn)高效率和小尺寸電源。新的 IC 還為行業(yè)帶來了新的標準，例如單一雙絞線以太網(wǎng)和單一雙絞線供電，從而降低布線復雜性并提高可靠性。

TI 可以提供下一代機器人所需的各種產(chǎn)品，從傳感器到處理器，應有盡有，其廣泛的產(chǎn)品和解決方案涵蓋了整個 AI 機器人信號鏈。從傳感器輸入到執(zhí)行器或電機輸出，從單個設備單元到工廠級控制等等，TI 解決方案覆蓋了整個信號鏈，并提供機器人應用所需的處理能力和電源。產(chǎn)品具有增強型隔離等功能，并經(jīng)過測試，符合在嚴苛工業(yè)環(huán)境中使用的標準。

4.5 將機器學習引入嵌入式系統(tǒng)
機器學習的前景不容小覷，其最新發(fā)展的深度學習已被人們視為會影響世界的基礎技術(shù)，與互聯(lián)網(wǎng)或之前的晶體管旗鼓相當。

得益于計算能力的巨大進步以及大量標記過的數(shù)據(jù)集，深度學習已在圖像分類、虛擬助手和游戲體驗方面帶來了重大改進，未來可能還會給無數(shù)行業(yè)帶來同樣的效果。與傳統(tǒng)的機器學習相比，深度學習可以提供更高的精度、更大的靈活性以及更好地利用大數(shù)據(jù)，而實現(xiàn)所有這一切所需的相關(guān)領域?qū)I(yè)知識卻更少。

為了讓機器學習在許多行業(yè)中發(fā)揮其應有的作用，必須將推理（此部分旨在執(zhí)行經(jīng)過訓練的機器學習算法）部署到嵌入式系統(tǒng)中。這一部署過程有其獨特的一系列挑戰(zhàn)和要求。

訓練和推理
深度學習包含兩個主要部分：訓練和推理，兩者可以在完全不同的處理平臺上執(zhí)行，如圖 1 所示。深度學習的訓練部分通常在桌面平臺或云中離線進行，需要將大量標記過的數(shù)據(jù)集饋送到深度神經(jīng)網(wǎng)絡 (DNN) 中。實時性能或功耗在該階段不會有問題。

如《傳感器數(shù)據(jù)如何賦能機器人技術(shù)中的 AI》白皮書所述，訓練階段的成果是經(jīng)過訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡，該神經(jīng)網(wǎng)絡在部署后可以執(zhí)行特定任務，例如檢查裝配線上的瓶子、對房間內(nèi)的人進行計數(shù)和跟蹤或確定票據(jù)是否是偽造的。

將經(jīng)過訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡部署到執(zhí)行算法的設備上稱為“推理”。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)施加的約束，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡的處理平臺通常不同于運行推理的平臺。為了便于本文討論，術(shù)語“深度學習”和“機器學習”指代推理。

前沿的機器學習
將計算推向更接近傳感器收集數(shù)據(jù)的位置的概念是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的核心，即網(wǎng)絡的邊緣。使用深度學習時，此概念對于在邊緣實現(xiàn)智能和自主變得更加重要。

圖 1.傳統(tǒng)深度學習開發(fā)流程.

許多應用（從工廠車間的自動化機械和工業(yè)機器人，到家庭中的自導式掃地機器人，再到田野中的農(nóng)用拖拉機）必須在本地實施處理。

進行本地處理的原因可能因應用而有很大差異。以下僅僅是一部分促使需要進行本地處理的原因：

• 可靠性高.依靠互聯(lián)網(wǎng)連接通常不是可行的選擇。

• 低延遲.許多應用都需要即時響應。應用可能無法忍受在其他地方發(fā)送數(shù)據(jù)進行處理的延時時間。

• 隱私.數(shù)據(jù)可能是私有的，因此不應在傳輸或存儲到外部。

• 帶寬.網(wǎng)絡帶寬效率通常是一個關(guān)鍵問題。在每個用例中都連接到服務器是不可能的。

• 增強.功耗始終是嵌入式系統(tǒng)的首要考慮因素。移動數(shù)據(jù)會消耗能量。數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)迷竭h，所需的能量就越多。

選擇用于機器學習的嵌入式處理器
需要進行本地處理的許多原因與嵌入式系統(tǒng)中固有的要求是重疊的，特別是功耗和可靠性。嵌入式系統(tǒng)還需要考慮其他一些因素，這些因素與系統(tǒng)的物理局限性有關(guān)或緣于這些局限性。在尺寸、內(nèi)存、功耗、溫度、壽命以及成本方面，經(jīng)常都存在固定的要求。

在對特定嵌入式應用的所有要求和關(guān)注點進行平衡的過程中，選擇處理器來執(zhí)行邊緣機器學習推理時需要考慮一些重要因素。

• 考慮整個應用。在選擇處理解決方案之前首先要了解的一點是整個應用的范圍。執(zhí)行推理是唯一需要的處理，還是要將傳統(tǒng)機器視覺與深度學習推理相結(jié)合？系統(tǒng)在較高層面運行傳統(tǒng)的計算機視覺算法并隨后在需要時運行深度學習通常會更高效。例如，高幀率 (fps) 的整個輸入圖像可以運行經(jīng)典的計算機視覺算法來執(zhí)行對象跟蹤，而在圖像中具有較低幀率的確定子區(qū)域上使用深度學習進行對象分類。在該示例中，跨多個子區(qū)域的對象分類可能需要多個推理實例，甚至可能需要在每個子區(qū)域上運行不同的推理。在后一種情況下，選擇的處理解決方案必須能夠同時運行傳統(tǒng)計算機視覺和深度學習以及不同深度學習推斷的多個實例。圖 2 顯示了通過圖像的子區(qū)域跟蹤多個對象并對每個被跟蹤的對象執(zhí)行分類的示例用法。

• 選擇合適的性能點。了解整個應用的范圍后，必須了解需要多少處理性能才能滿足應用需求。對于機器學習，這可能很難了解清楚，因為很多性能都是與具體應用相關(guān)的。例如，對視頻流上的對象進行分類的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡 (CNN) 的性能取決于網(wǎng)絡中使用的層、網(wǎng)絡的深度、視頻的分辨率、幀率要求以及用于網(wǎng)絡權(quán)重的位數(shù)，等等。但是，在嵌入式系統(tǒng)中嘗試衡量所需的性能非常重要，因為在此問題上投入性能過于強大的處理器通常意味著需要在增加的功耗、尺寸和/或成本方面做出讓步。盡管特定的處理器可以支持 ResNet-10（這是一種在高功率集中式深度學習應用中常用的神經(jīng)網(wǎng)絡模型）的 30fps@1080p，但如果某個應用將在 244 x 244 目標區(qū)域上運行更符合嵌入式需求的網(wǎng)絡，這樣的處理器可能有點大材小用。

• 考慮嵌入式需求。選擇適合的網(wǎng)絡與選擇適合的處理器同樣重要。并非每種神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)都適合嵌入式處理器。將模型限制到運算量較少的模型將有助于實現(xiàn)實時性能。在選擇網(wǎng)絡的基準測試時，應該優(yōu)先考慮符合嵌入式需求的網(wǎng)絡，這樣的網(wǎng)絡將犧牲一定的準確性以大幅降低計算工作量，而不是諸如 AlexNet 和 GoogleNet 等更為知名的網(wǎng)絡，因為這些網(wǎng)絡不是為嵌入式領域設計的。同樣，選擇的處理器應能夠有效利用工具將這些網(wǎng)絡融入嵌入式領域。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡可以容許很多錯誤；使用“量化”是降低性能要求并使精度降低最少的一種好方法?？芍С謩討B(tài)量化并有效利用稀疏度（限制非零權(quán)重數(shù)量）等其他技術(shù)的處理器是嵌入式領域中的理想選擇。

• 確保易用性。易用性是指易于開發(fā)和易于評估。如前文所述，確定適合的處理器性能是一個重要的設計考慮因素。正確執(zhí)行此過程的最佳方法是在現(xiàn)有處理器上運行選定的網(wǎng)絡。某些方案提供了相應的工具，這些工具可以在給定網(wǎng)絡拓撲的情況下顯示出給定處理器上可實現(xiàn)的性能和精度，因此無需實際硬件和最終確定網(wǎng)絡即可進行性能評估。對于開發(fā)而言，必須能夠從諸如 Caffe 或 TensorFlow Lite 之類的常見框架中輕松導入經(jīng)過訓練的網(wǎng)絡模型。

?

圖 2.使用嵌入式深度學習進行的對象分類示例.

此外，對諸如 Open Neural Network eXchange（開放神經(jīng)網(wǎng)絡交換）之類的開放式生態(tài)系統(tǒng)的支持意味著將支持更大范圍的開發(fā)框架。

選擇用于深度學習的處理器時，有許多不同類型的處理器可供考慮，它們各有優(yōu)缺點。通常會首先考慮圖形處理單元(GPU)，因為這種處理器在網(wǎng)絡訓練中得到了廣泛應用。盡管GPU 的功能非常強大，但考慮到嵌入式應用中經(jīng)常出現(xiàn)的功耗、尺寸和成本限制，其仍難以在嵌入式領域中獲得青睞。

隨著深度學習越來越流行，功耗和大小經(jīng)過優(yōu)化的“推理引擎”也越來越多。這些引擎是專門用于執(zhí)行深度學習推理的專用硬件產(chǎn)品。一些引擎經(jīng)過了優(yōu)化后可以使用 1 位權(quán)重并可以執(zhí)行簡單的功能（例如關(guān)鍵詞檢測），但是若要進行這樣大幅度的優(yōu)化來節(jié)省功耗和計算處理資源，則需要犧牲有限的系統(tǒng)功能和精度。如果應用需要進行對象分類或執(zhí)行細粒度的工作，則較小的推理引擎在性能上可能不夠強大。

在評估這些引擎時，請確保它們的大小適合于應用。當應用需要深度學習推理以外的額外處理時，這些推理引擎的局限性就會顯現(xiàn)。在大多數(shù)情況下，這種引擎需要與系統(tǒng)中的另一個處理器并存，用作深度學習協(xié)處理器。

集成式 SoC 通常是嵌入式領域中一個不錯的選擇，因為除了容納能夠執(zhí)行深度學習推理的各種處理元件外，SoC 還集成許多用于整個嵌入式應用的必要組件。一些集成式 SoC 包括顯示、圖形、視頻加速和工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能，使單芯片解決方案的功能不僅限于運行深度學習。

用于深度學習的高集成度 SoC 的一個示例是 TI 的 AM5729器件，如圖 3 所示。AM5729 具有兩個用于系統(tǒng)處理的 Arm?Cortex?-A15 內(nèi)核、兩個用于運行傳統(tǒng)機器視覺算法的 C66x數(shù)字信號處理器 (DSP) 內(nèi)核以及四個用于運行推理的嵌入式視覺引擎 (EVE)。TI 的深度學習 (TIDL) 軟件產(chǎn)品包括 TIDL 庫，該庫在 C66x DSP 內(nèi)核或 EVE 上運行，因此可以在器件上同時運行多個推理。另外，AM5729 提供了豐富的外設、一個用于實現(xiàn) EtherCAT 等工廠車間協(xié)議的工業(yè)通信子系統(tǒng) (ICSS) 以及用于視頻編碼/解碼及 3D 和 2D 圖形的加速功能，有助于在也會執(zhí)行深度學習的嵌入式領域中使用此 SoC。

為嵌入式應用選擇處理器通常是產(chǎn)品最重要的組件選擇，對于許多改變行業(yè)并將機器學習推向邊緣的產(chǎn)品而言，便是如此。

?

圖 3.Sitara? AM5729SoC 的框圖.

4.6 機器人可以應對新的挑戰(zhàn)和功能
為了跟上在線購物的增長步伐，物流中心的數(shù)量成倍增加，同時輪式機器人的數(shù)量也隨之增加，這種機器人可以處理這些物流中心的許多繁重任務。輪式機器人的下一個挑戰(zhàn)將是如何滿足最后一英里送貨的需求，從而幫助減少城市地區(qū)的交通擁堵。

同時，對人類友好的機器人開始在實體店中進行實時庫存管理，使超市可以減少每種產(chǎn)品的貨架空間并增加庫存種類。輪式機器人甚至正在進入酒店，提供從入住到客房服務的各種接待服務。

這些輪式機器人的工作并不都是嚴肅的工作；它們很快就會將披薩（如圖 1 所示）或咖啡送到工作場所和園區(qū)宿舍。隨著餐館逐漸轉(zhuǎn)向全面的食物外送服務，即由一家公司負責所有的客戶互動管理、烹飪和物流工作，對輪式機器人的要求將是越快送達食物越好。

?

圖 1.運送披薩的輪式機器人示例.

隨著輪式機器人的出現(xiàn)（有些人認為它們是變相的機器人），讓我們看一下目前業(yè)界使用的整個機器人產(chǎn)品陣容：

• 工業(yè)機器人（或機械臂）在工廠中處理諸如焊接、碼垛、分類和舉升等任務。這種機器人通常位于地板、天花板或墻壁上的固定位置。它們由基座或機械臂附近的控制器進行管理。

• 雖然諸如機械臂之類的大型工業(yè)機器人已經(jīng)使用了很多年（大多數(shù)都用在汽車行業(yè)），但隨著人類與機器人之間的協(xié)作機會不斷增加，一種稱為協(xié)作機器人（簡稱 cobot）的較小變種正以顯而易見的速度進入市場。

• 物流機器人出現(xiàn)在倉庫、配送中心、港口甚至園區(qū)內(nèi)。這些機器人取回貨物并將其帶到包裝站，或者將貨物從一處建筑物運到另一處。這些機器人在特定環(huán)境中移動，并且需要大量用于定位和制圖的傳感器以及用于防止碰撞的傳感器。

• 接待機器人出現(xiàn)在超市、機場和酒店中。這些機器人保持虛擬存在，用于歡迎和引導客戶/來賓（圖 2）。

• 庫存機器人出現(xiàn)在超市或庫房中。這些機器人定期掃描貨架，確保商店的產(chǎn)品不會售罄。

圖 2.接待機器人示例.

如機器人白皮書《傳感器數(shù)據(jù)強化 AI》中所述，工業(yè)機器人通常放置在封閉的環(huán)境中，當人類進入其環(huán)境時將停止運轉(zhuǎn)。但是限制人類與機器人協(xié)作會導致無法實現(xiàn)許多好處。自主能力將使人類與機器人安全高效地共存。

機器人應用中的傳感和智能感知非常重要，因為機器人系統(tǒng)（尤其是機器學習應用）的有效性能在很大程度上取決于向這些系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳感器的性能。如今，各種越來越精密和精確的傳感器，再加上能夠?qū)⑺羞@些傳感器數(shù)據(jù)融合在一起的系統(tǒng)，使得機器人擁有越來越出色的感知和意識。這些類型的傳感器示例包括攝像頭、LIDAR、毫米波和 ToF。

傳感技術(shù)特別重要的應用是在掃地機器人的運行過程中。ToF傳感器使機器人能夠準確繪制運行環(huán)境圖，并確保機器人高效完成其任務。紅外“懸崖探測”傳感器可以保護機器人免于掉下樓梯或猛烈墜落。

正如人類依靠感官和智慧來完成任務一樣，機器人需要大量的技術(shù)來模仿人類理所當然的行為。TI 提供了一些解決方案來滿足許多這類技術(shù)需求，包括傳感、智能和功耗方面的需求。

4.7 機器人系統(tǒng)的視覺和傳感技術(shù)參考設計

?

第 5 章：機器人工具技術(shù)（末端執(zhí)行器）
5.1 利用 TI DLP? 技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)實現(xiàn)高精度的撿拾功能
在工業(yè)環(huán)境中，每天都要處理形狀、尺寸、材料和光學特性（反射率、吸收率）各不相同的零件。這些零件必須以特定的方向進行拾取和放置以進行加工處理，這些從環(huán)境到容器的拾取和放置活動的自動化過程稱為撿拾。

這項任務對機器人末端執(zhí)行器（安裝在機械臂末端的設備）來說是一項挑戰(zhàn)，它需要知道想要抓握的物體的確切 3D 位置、尺寸和方向。為了在箱壁以及可能在里面的其他物體周圍導航，機器人的機器視覺系統(tǒng)除了需要 2D 攝像機信息之外，還需要獲取深度信息。

結(jié)構(gòu)光技術(shù)可以解決與拾取對象的 3D 圖像捕捉有關(guān)的挑戰(zhàn)?；诮Y(jié)構(gòu)光技術(shù)的 3D 掃描儀和攝像機通過將一系列圖案投影到被掃描的物體上并使用攝像機或傳感器捕捉捕獲失真來工作。然后，三角測量算法計算數(shù)據(jù)并輸出 3D 點云。影像處理軟件（例如 MVTech 公司的 Halcon）計算物體的位置和機械臂的最佳接近路徑（圖 1）。

?

圖 1.管接頭與相應的 3D 模型匹配示例（來源：MVTech 公司的 Halcon）。

DLP? 技術(shù)通過組裝在半導體芯片（稱為數(shù)字微鏡器件 (DMD)）頂部的微鏡矩陣提供高速圖形投影功能，如圖 2 所示。DMD上的每個像素代表投影圖像中的一個像素，可實現(xiàn)精確的像素圖像投影。微鏡的過渡時間約為 3μs，可將通過投影透鏡或光場反射入射到物體上的光。前者在投影場景中實現(xiàn)亮像素，而后者則創(chuàng)建暗像素。

?

圖 2.DLP 芯片包含數(shù)以百萬計的微鏡，可分別在高速下進行控制并有針對性地反射光以創(chuàng)建投影圖案.

DLP 技術(shù)還具有獨特的優(yōu)勢，它能夠使用各種光源（例如燈、LED 和激光）在較寬的波長范圍 (420nm 至 2500nm) 內(nèi)投射圖案。

對于撿拾操作，DLP 技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光具有以下優(yōu)點：

• 穩(wěn)健可靠，可抵御環(huán)境光。在需要機器視覺進行撿拾操作的應用中，工廠的照明條件（例如低光照和不同照明區(qū)域之間的高對比度）或閃爍的光線（可能會干擾機器視覺系統(tǒng)）可能是一個挑戰(zhàn)。由 DLP 技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光具有固有的主動照明，這使得它能夠抵御這些條件。

• 無活動部件.結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)可一次捕獲整個場景，而無需將光束掃過物體或移動物體使其通過光束（如在掃描解決方案中）。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)不會在宏觀層次上使用運動器件，因此不會因機械性能變差而受到磨損。

• 實時 3D 圖像采集。DLP 芯片中的微鏡在高速下進行控制，并提供高達 32kHz 的定制圖案投影。DLP 控制器提供觸發(fā)輸出和輸入，用于將攝像機和其他設備與投影的圖案序列同步。這些特性有助于實現(xiàn)實時 3D 圖像采集，從而實現(xiàn)同時掃描和拾取操作。

• 投影圖案的高對比度和分辨率。由于每個微鏡要么將光反射到目標物體上，要么反射到吸收面上，因此可以實現(xiàn)高對比度，并且可以獨立于物體表面屬性進行精確的點檢測。有了高分辨率 DLP 芯片以及分辨率高達 2560 x 1600 像素的反射鏡，意味著人們可以檢測到微米級以下的物體。

• 適合對象參數(shù)。與使用衍射光學元件的系統(tǒng)相比，可編程圖案和各種點編碼方案（例如相移或灰度編碼）使結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)更適合于對象參數(shù)。

• 加快開發(fā)時間。盡管機器人具有很高的可重復性，但在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，拾取操作仍需要精確度，在這種環(huán)境下，每次從存儲箱中取出物體時，物體都會不斷移動位置和變換方向。要成功應對這一挑戰(zhàn)，就需要可靠的工藝流程，從機器視覺到計算軟件，再到機器人的靈巧性和抓握力，不一而足。使所有系統(tǒng)協(xié)同工作可能是一個挑戰(zhàn)，需要花費大量的開發(fā)時間。

TI 的 DLP 技術(shù)評估模塊可將結(jié)構(gòu)光快速植入機器視覺工作流程。為了證明這一功能，TI 以一定的距離和角度在單色攝像機上安裝了 DLP LightCrafter? 4500 評估板。DLP 評估板由攝像機通過一條將兩者連接起來的觸發(fā)電纜觸發(fā)，參見圖 3。

評估板和攝像機都經(jīng)由 USB 連接到 PC，整個設置都指向校準板。使用 DLP 技術(shù)參考設計的 3D 機器視覺應用精確點云生成軟件可校準攝像機和投影儀的焦距、焦點、鏡頭畸變、攝像機相對于校準板的平移和旋轉(zhuǎn)等參數(shù)。《參考設計用戶指南》將分步介紹整個過程。

?

圖 3.結(jié)構(gòu)光設置，包括 DLP? 產(chǎn)品 LightCrafter? 4500（左）、Point Grey 前視紅外 Flea3 攝像機（右）和校準板（后）。

只有當攝像機相對于 DLP 產(chǎn)品電路板發(fā)生了移動時，才需要
重新校準。

設置完成后，就可以創(chuàng)建真實目標的點云了。這些云由軟件以任意文件格式輸出，然后通過 Halcon 的 HDevelop 平臺中的簡短代碼進行讀取和顯示。圖 4 顯示了一個點云，其中彩色編碼表示裝滿咖啡杯的盒子的深度信息。

?

圖 4.捕獲的杯子（左）和在 Halcon HDevelop 中顯示的盒子中（右）使用 DLP? 驅(qū)動的多個杯子的結(jié)構(gòu)光捕獲點云。

Halcon 的表面匹配可以通過將點云與杯子的 3D 計算機輔助設計模型進行比較來確定杯子的 3D 姿勢。機械臂現(xiàn)在可以“看到”物體，從而可以計算出機械臂的最佳接近路徑，這樣它就可以從盒子中拾取物體，并可以在非結(jié)構(gòu)化和變化的環(huán)境中避開障礙物。

第 6 章：機器人工業(yè)通信
6.1 為傳感器選擇合適的工業(yè)通信標準
繼蒸汽動力、裝配線和早期自動化革命之后，更大規(guī)模的工廠連接和控制正在引領第四次工業(yè)革命，即工業(yè) 4.0。這場運動以數(shù)據(jù)、帶寬和網(wǎng)絡的指數(shù)級增長推動了機器對機器間的通信，從而創(chuàng)建了在各個級別上都具有更高響應自動化的智能工廠。

盡管人們的關(guān)注點大多集中在機器人和配套裝配線之類的大型系統(tǒng)，但如果沒有與運行生產(chǎn)線的可編程邏輯控制器(PLC) 進行通信的傳感器和執(zhí)行器，它們所能支持的自動化就不可能實現(xiàn)。傳感器和執(zhí)行器，無論是在本地還是遠程運行，其數(shù)量往往遠遠超過它們所支持的復雜系統(tǒng)。如圖 1 所示，優(yōu)化整個工廠通信對于滿足各種規(guī)模系統(tǒng)的各種要求而言是必要的。

事實證明，適合工業(yè)應用的以太網(wǎng)協(xié)議在工廠現(xiàn)場作為現(xiàn)場總線很受歡迎。這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如 EtherCAT 和Profinet）可提供高帶寬、長物理連接、低延遲和確定性的數(shù)據(jù)傳輸，以及自動化制造所需的其他功能。此外，基于這些標準的現(xiàn)場網(wǎng)絡能輕松連接到大型工廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)。

但是，對于傳感器和執(zhí)行器而言，工業(yè)以太網(wǎng)通常過于強大。這些系統(tǒng)通常需要點對點通信而不是現(xiàn)場總線，并且它們的帶寬要求通常很低。

一種創(chuàng)新的解決方案是使用 IO-Link，這是一種基于標準布線和物理互連的雙向通信協(xié)議。IO-Link 不僅能有效地將數(shù)據(jù)從工廠車間高效地傳輸?shù)?PLC，而且還支持改進的設置、診斷和維護，并且與現(xiàn)有現(xiàn)場總線布線互補。

由于 IO-Link 和工業(yè)以太網(wǎng)是互補的，因此了解這兩個標準如何協(xié)同工作對聯(lián)網(wǎng)工廠系統(tǒng)的設計人員而言大有裨益。

?

圖 1.按用例列出的工業(yè)通信.

低帶寬 IO-Link
傳感器和執(zhí)行器是自動化的最基本單元，它將信息饋入網(wǎng)絡系統(tǒng)并根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的指令執(zhí)行操作。一直以來，這些器件通過智能化程度較低的接口連接到控制單元，因此它們很少或根本不交換配置和診斷信息。安裝新器件需要在使用現(xiàn)場進行手動配置，并且如果沒有診斷，則無法進行及時的預防性維護。

IO-Link（國際電工委員會 [IEC] 61131-9）是一種開放式標準協(xié)議，它解決了傳感器和執(zhí)行器等小型器件智能控制的需求。本標準提供了器件與通常用作現(xiàn)場總線和 PLC 網(wǎng)關(guān)的主機之間的低速點對點串行通信。智能鏈路可簡化數(shù)據(jù)交換、配置和診斷通信。

使用一根長達 20 米的非屏蔽三芯電纜（通常配有 M12 連接器）來建立 IO-Link 連接。數(shù)據(jù)速率范圍高達 230kbps，非同步最小周期時間為 400μs，+10%。四種操作模式支持雙向輸入/輸出 (I/O)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和停用。未指定安全機制和確定性數(shù)據(jù)傳輸。稱為 IO 器件描述 (IODD) 的配置文件包含通信屬性、器件參數(shù)、標識、過程和診斷數(shù)據(jù)，以及有關(guān)器件和制造商的信息。?

IO-Link 系統(tǒng)的許多優(yōu)點包括標準化布線、更大的數(shù)據(jù)可用性、遠程監(jiān)視和配置、簡單的器件更換和高級診斷。IO-Link 允許工廠經(jīng)理接收傳感器更新，并為即將進行的維護或更換制定計劃。更換需要更換的傳感或執(zhí)行單元，并通過 IO-Link 主機從 PLC 配置新的傳感或致動單元，可消除手動設置并減少停機時間。在不訪問工廠現(xiàn)場的情況下將生產(chǎn)從一種配置遠程切換到另一種配置可以簡化產(chǎn)品定制（圖 2）。工廠可以將生產(chǎn)線輕松升級到 IO-Link，因為它與現(xiàn)有的標準 I/O 設備和電纜向后兼容。總之，這些功能可降低總體成本、提高流程效率并提高機器可用性。

?

圖 2.現(xiàn)場級通信.

工業(yè)以太網(wǎng)：智能工廠的骨干
近年來，工業(yè)以太網(wǎng)已在高度自動化的工廠中顯示出其價值，成為大型現(xiàn)場網(wǎng)絡（包括復雜系統(tǒng)、PLC 和支持與外部網(wǎng)絡交互的網(wǎng)關(guān)）的首選標準。高速、通用接口和長連接距離等優(yōu)點使得以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中無處不在。此外，工業(yè)以太網(wǎng)使用改進的媒體訪問控制 (MAC) 層，以低延遲提供確定性數(shù)據(jù)傳輸，并支持時間觸發(fā)事件。支持環(huán)形和星形拓撲以及傳統(tǒng)的內(nèi)聯(lián)連接，可確保在電纜斷開時的安全性和可靠性。

工業(yè)以太網(wǎng)不是唯一的單一規(guī)范，而是由不同的工業(yè)設備制造商驅(qū)動的用于在現(xiàn)場級應用中實現(xiàn)的一大組不同協(xié)議實現(xiàn)。常用協(xié)議包括 EtherCAT、Profinet、以太網(wǎng)/IP、Sercos III和 CC-Link IE Field 等。白皮書“工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議洞察”對這些協(xié)議進行了比較，并討論了舊版非以太網(wǎng)串行現(xiàn)場總線協(xié)議，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、Modbus 和 Profibus。

Profinet 和 EtherCAT 是使用最廣泛的兩種協(xié)議，它們說明了工業(yè)以太網(wǎng)的類型之間以及它們與 IO-Link 之間的區(qū)別。兩者均指定為 100Mbps 的傳輸速率，并且最大傳輸距離為 100m。Profinet 需要獨立于數(shù)據(jù)電纜電源的電源，而EtherCAT 提供的版本 (EtherCAT P) 在同一根電纜中包含電源和數(shù)據(jù)。Profinet 支持全雙工通信，并能夠?qū)?shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡上的每個節(jié)點。該協(xié)議還提供了三個類，允許用戶匹配網(wǎng)絡所需的性能級別。相比之下，EtherCAT 在網(wǎng)絡上向一個方向發(fā)送一個共享幀，所有的從機都將其數(shù)據(jù)放在這個共享幀中，該方案支持極快的轉(zhuǎn)發(fā)時間。

Profinet 和 EtherCAT 都比 IO-Link 具有更快的周期時間，而容差卻小得多。兩者都基于網(wǎng)絡同步而不是像 IO-Link 一樣從通信開始就計時。附加協(xié)議為連接提供功能安全性。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議通常提供許多服務，以簡化自動化環(huán)境中的集成。

盡管大多數(shù)傳感器不需要工業(yè)以太網(wǎng)連接提供的強大功能集，但視覺傳感是一個重要的例外。攝像機產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)本身就足以需要一個比 IO-Link 所能提供的數(shù)據(jù)速率要高的連接。視覺傳感以及有時其他類型的傳感可能會為實時過程控制提供必要的輸入，因此需要工業(yè)以太網(wǎng)的確定性傳輸。

例如，ToF 應用跟蹤并預測物體的三維運動。典型的響應是機械手臂移動以攔截物體。IO-Link 可以提供足夠的速度和分辨率，以便在這些應用中有限地檢測存在，但是工業(yè)以太網(wǎng)可提供足夠的帶寬和足夠低的延遲來確定物體及其周圍空間的某些特征。通過千兆以太網(wǎng)，使用攝像機饋送，甚至可以進行更高級別的識別，但是此處討論的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議尚不支持這些速率。您可以在圖 3 中看到 ToF 的選擇示例。

?

圖 3.選擇示例：ToF。

面向智能工廠通信的 TI 技術(shù)
競爭性工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中存在許多可能性，可用于攝像機、電機、機器人、PLC 和其他復雜系統(tǒng)。即使是簡單的傳感器和執(zhí)行器也需要在更大的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境中有效運行。由于自動化設備之間有如此多的通信選擇，工業(yè)系統(tǒng)設計人員需要靈活但易于使用的解決方案。TI 技術(shù)通過基于一系列標準（包括IO-Link 和最常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議）的工業(yè)通信集成解決方案來滿足這些要求。

TI 的 TIOL111x 收發(fā)器系列為自動化系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器提供了完整的 IO-Link 功能以及靜電放電、電快速瞬變和電涌保護。EVM 可用于查看運行中的器件，而參考設計有助于加快變送器、接近開關(guān)、螺線管驅(qū)動器、超聲和其他應用的開發(fā)。需要更大帶寬和確定性時序的應用設計人員必須確定要支持多少工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，以使系統(tǒng)與多個現(xiàn)場總線環(huán)境兼容。傳統(tǒng)上，添加協(xié)議需要創(chuàng)建附加接口或插入到主板的可互換模塊。每個決策都涉及到額外的硬件設計、更大的材料清單以及更長的測試和認證周期。

TI Sitara? 系列 Arm? 處理器無需添加硬件，即可提供支持多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的集成可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)。圖 4（下一頁）顯示了一個基于 Sitara 處理器與IO-Link 主機直接通信的系統(tǒng)示例。

PRU 在器件運行時加載工業(yè)協(xié)議固件，并提供EtherCAT、Profinet、Sercos III、Ethernet/IP 和 EthernetPowerLink 選項。PRU-ICSS 處理實時關(guān)鍵任務，否則這些任務會內(nèi)置到應用特定的集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 中，從而在您需要添加新功能或協(xié)議時提供基于軟件的可升級解決方案?；诳蓴U展的 Arm 內(nèi)核（Cortex?-A8、A9或 A15，取決于處理器），Sitara 處理器支持使用多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為工廠自動化提供單芯片解決方案。

TI 為工業(yè)以太網(wǎng)和其他標準（如 CAN）提供了廣泛的接口（如表 1（下一頁）所示），既可以作為獨立解決方案，又可以作為其他集成解決方案中可用的技術(shù)模塊使用。許多 TI 網(wǎng)絡產(chǎn)品都具有增強的隔離功能，以保護電路和人員安全，而其他器件則在設計中提供了增強的隔離功能。深入的開發(fā)支持包括用于自動化工業(yè)設備中各種應用的軟件、工具、EVM 和參考設計。

圖 4.一個基于 Sitara? 處理器與 IO-Link 主機直接通信的系統(tǒng)。
?

表 1. 用于制造現(xiàn)場通信的 IO-Link 和工業(yè)以太網(wǎng).

面向未來智能工廠的技術(shù)
智能工廠的發(fā)展有賴于多功能網(wǎng)絡的實現(xiàn)，該網(wǎng)絡可以將各個設備單元的要求與工廠的整體通信需求相匹配。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為連接到 PLC、攝像機、機器人和其他復雜自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線連接提供了高帶寬和快速、有保證的計時。IO-Link為現(xiàn)場總線主機和傳感器或執(zhí)行器之間的點對點連接提供了一種簡單的替代方法，有助于進行配置和維護。TI 提供了廣泛的解決方案和靈活的技術(shù)產(chǎn)品組合，可幫助設計人員利用這些互補標準在第四次工業(yè)革命中實現(xiàn)自動化領域的創(chuàng)新。

6.2 賦能機器人，實現(xiàn)更高水平的工廠自動化

半個多世紀以來，機器人在制造領域扮演著越來越重要的角色，成功實現(xiàn)了多個行業(yè)的變革，從汽車到電子產(chǎn)品再到消費品行業(yè)，無不見證著它的影響。機器人為重復性任務的執(zhí)行帶來了生產(chǎn)力、成本效益以及通常更高的安全性。

機器人不斷發(fā)展，提供更多的功能、靈活性、運動范圍、速度和精度。除了在裝配線的受保護空間中發(fā)揮作用外，機器人還越來越多地并肩操作并與人類互動，在某些情況下，它們還會將材料從一個地方移到另一個地方。機器人要想以這些越來越復雜的方式運行，就必須能夠處理有關(guān)環(huán)境的大量傳感數(shù)據(jù)，能夠在彼此之間以及與中央控制單元進行通信，并執(zhí)行適應環(huán)境變化的控制功能，防止它們傷害人類。

通過為工業(yè)自動化提供創(chuàng)新的電子解決方案，TI 提供了一系列 IC 產(chǎn)品，可進行高級機器人系統(tǒng)開發(fā)。從工廠的最高控制層到執(zhí)行器和傳感器，TI 為控制、通信、電源和安全提供了單獨的產(chǎn)品和完整的解決方案。TI 系統(tǒng)的專業(yè)知識基于與許多行業(yè)領先制造商的多年合作，該公司的深入支持有助于簡化機器人系統(tǒng)的設計并縮短開發(fā)時間。

工業(yè)自動化中機器人應用的類型
盡管人們對類人型和類動物型機器人、無人機甚至掃地機器人給予了廣泛關(guān)注，但工業(yè)環(huán)境中使用的機器人仍然是機器人市場的主流。機器人開發(fā)人員在設計工業(yè)用產(chǎn)品時面臨的許多問題也適用于機器人技術(shù)的其他領域，而為滿足工廠要求而創(chuàng)建的技術(shù)通常可以在制造業(yè)之外實現(xiàn)新的機器人應用。

盡管工業(yè)自動化中使用的所有機器人在技術(shù)上都是工業(yè)機器人，但在本次討論中，重點將放在三組機器人應用上：如圖 1所示的工業(yè)機器人、物流機器人和協(xié)作機器人。工業(yè)機器人是固定在 適當位置的裝置，用于處理焊接、噴漆、拾放、組裝和提升物體等任務，以將其放置在托盤或容器中?？刂菩盘杹碜詸C器人控制器，它是機柜中的一個控制單元，通常位于機器人的底部或旁邊。

工業(yè)機器人旨在快速、準確地執(zhí)行任務，并且不需要與人類直接交互。因此，它們沒有用于感知人的存在的傳感器，也不能在其操作空間中容納人員。當需要人機交互時，機器人通常會被關(guān)閉。為了人身安全和不干擾操作，工業(yè)機器人通常位于圍欄、透明墻、光敏屏障、地墊陣列（當踩踏時會切斷電源）或其他保護性屏障內(nèi)。

?

圖 1.機器人在工業(yè)自動化與服務中的應用.

物流機器人是在可能有人在場的環(huán)境（例如倉庫）中工作的移動裝置。物流機器人可以取回貨物并將其帶到包裝站，或者將貨物從公司現(xiàn)場的一處建筑物運到另一處；一項最新的發(fā)展是使用機器人運送外賣，盡管它們目前需要由人工搬運員陪同。這些機器人通常在特定環(huán)境中移動，并且需要多個傳感器來進行定位和制圖，以防止碰撞，尤其是與人的碰撞。超聲波、紅外和 LIDAR 傳感都是可能的技術(shù)。由于這種機器人具有移動性，因此控制單元位于內(nèi)部，通常與中央遠程控制進行無線通信。

協(xié)作機器人與人類的交互最為復雜，通常需要在同一時間在同一物體上與人類直接協(xié)作。協(xié)作機器人可能會在人類目視檢查物體或執(zhí)行微調(diào)任務時握住物體。然后，機器人可能會將物體放置在另一個機器人可以撿起的區(qū)域中，也可能會將其移動到新位置以便與其他工人進行協(xié)作。

協(xié)作機器人制造商必須在機器人系統(tǒng)中實現(xiàn)高水平的環(huán)境感知和冗余度，以快速檢測和防止可能發(fā)生的碰撞。連接到控制單元的集成傳感器將感應機械手臂與人類或其他物體之間的碰撞；控制單元將立即關(guān)閉機器人。如果任何傳感器或其電子電路出現(xiàn)故障，機器人也會關(guān)閉。協(xié)作機器人通常與控制單元一起固定在機柜中，但也可以安裝在車輛上。

工業(yè)機器人技術(shù)要求
投資于機器人的制造商正在尋求更高的生產(chǎn)效率，同時在合理的時間范圍內(nèi)獲得良好的投資回報。實現(xiàn)這些目標取決于機器人在困難任務中的精確度、在高度重復性任務中的性能速度、在危險任務中保持安全的能力或這些能力的某種組合。具有靈活應用功能的機器人（例如圖 2 所示的機器人）經(jīng)常使用攝像頭觀察物體，這可以使制造商不必投資于更專業(yè)的機器，同時在工廠車間實現(xiàn)更完整、更短和更高效的生產(chǎn)運行和新用途。此外，如今許多工廠正在為生產(chǎn)線增加更多的通信和控制層，將更多的數(shù)據(jù)整合在一起，以實現(xiàn)更好的過程控制和設備維護，同時也使工藝對產(chǎn)品需求的變化做出更快的響應。機器人和其他設備之間的通信和更高層次的控制對于完全集成的工廠至關(guān)重要。

機器人開發(fā)人員依靠先進的 IC 解決方案來滿足這些要求。推動工業(yè)機器人進步的 IC 產(chǎn)品必須提供精確的傳感、高速傳感器信號轉(zhuǎn)換、快速計算/信號處理，以實現(xiàn)實時響應和高速通信。IC 還能與 GaN FET 等先進的半導體配合使用，以實現(xiàn)高效率和小尺寸電源。

隨著傳感器數(shù)量和環(huán)境刺激的增加，所有這些因素都特別重要。機器人開發(fā)人員所依賴的解決方案可以最大程度地減少電路設計和認證帶來的麻煩，加快產(chǎn)品開發(fā)速度，使其能夠快速交付給工業(yè)客戶。

高級集成電路必須提供以下功能：

• 具有電路保護和低噪聲排放的高效高壓電源。

• 工作溫度范圍的特性。

• 支持工業(yè)以太網(wǎng)和其他廣泛使用的工業(yè)通信標準。

• 易于編程，具有更大的靈活性。

• 快速、精確的模數(shù)和數(shù)模信號轉(zhuǎn)換。

• 增強型隔離，符合工業(yè)安全標準。

• 與其他 IC 結(jié)合使用時，可為安全關(guān)鍵型應用提供控制冗余。

• 將電路放置在狹小空間（例如移動物流機器人）或在機械手臂（以及空間狹小的其他設備，如傳感器和電機外殼）中進行電機控制時，占地面積小。

• 低功耗（對物流機器人和傳感器等電池供電或環(huán)境供電設備至關(guān)重要）。

• 全面的支持，包括參考設計和 EVM，以最大程度地縮短設計時間并使設計人員專注于增值技術(shù)。

?

圖 2.具有機器人交互功能的裝配線。

TI 的工業(yè)機器人使能技術(shù)
TI 可提供設計靈活的機器人所需的全套先進技術(shù)，這些機器人可以在當今的集成制造工廠環(huán)境中運行。從傳感器輸入到執(zhí)行器或電機輸出，從單個設備單元到工廠級控制等等，TI 解決方案可處理整個信號鏈，以及機器人應用所需的處理能力和電源。產(chǎn)品具有增強型隔離等功能，并經(jīng)過測試，符合在嚴苛工業(yè)環(huán)境中使用的標準。為達到這一目的，TI 為其 IC 產(chǎn)品提供深入支持以簡化其設計并加快開發(fā)速度。

在 TI 為機器人和其他工業(yè)設備提供的眾多解決方案中，尤其值得注意的是：

• Sitara? 處理器。任何控制單元的核心都是處理器，而 TI 經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化的 Sitara 處理器旨在為機器人和其他工業(yè)設備提供靈活、快速的設計。基于 ARM? Cortex?-A 內(nèi)核，Sitara處理器提供靈活的外設、連接和統(tǒng)一的軟件支持，可覆蓋各種應用。單核和多核器件的廣泛組合為每個應用提供了集成性、連接性和性能的完美平衡。完全可擴展的軟件平臺可實現(xiàn)統(tǒng)一的軟件體驗，從而簡化了 Sitara 處理器和 TI DSP 系列之間的開發(fā)和代碼遷移。處理器系列內(nèi)的引腳兼容選項可以實現(xiàn)硬件無縫升級。

Sitara 處理器旨在滿足長期應用的工業(yè)要求，產(chǎn)品生命周期通常超過 10 年。當實現(xiàn)專門的數(shù)據(jù)處理操作、定制外設接口和短至 5ns 的快速實時響應時，這些器件提供了可編程的靈活性。可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 作為Sitara 處理器系列內(nèi)部的硬件模塊，用單芯片解決方案替代現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 或應用特定 IC (ASIC)。輕松獲得免費軟件和設計工具，加上大量的開源社區(qū)支持，減少了開發(fā)障礙。

• 接近傳感.協(xié)作機器人需要對附近的事物和人進行復雜的感知，以確保其安全無虞。TI 在傳感技術(shù)方面的專業(yè)知識包括接近傳感解決方案，這些解決方案可用于檢測目標物體是否存在，并在需要時測量其距離的應用。TI 支持的接近傳感技術(shù)包括超聲波、電磁、電容、電感和 ToF。

• 3D ToF/光學傳感。借助 TI 產(chǎn)品，基于 ToF 的傳感技術(shù)便能夠超越接近檢測技術(shù)，實現(xiàn)下一代機器視覺。TI 的 3D ToF芯片組為您提供了最大的靈活性，可為機器人視覺或其他應用定制設計。工具包括一個 EVM 和一個高度可配置的攝像機開發(fā)套件；后者為精確的深度圖提供了每個像素的 3D 位置，有助于對給定應用進行自定義設計。

• GaN 電源。除了各種開關(guān)和線性穩(wěn)壓器、開關(guān)控制器、電源監(jiān)控和其他支持電源管理器件的電源管理產(chǎn)品組合外，TI 還提供 GaN 模塊、驅(qū)動器和控制器，為工業(yè)系統(tǒng)中的高壓電源提供出色的功率密度。

?? ??? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ?
GaN 技術(shù)極大地降低了開關(guān)損耗，因此在減少或消除散熱器的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度。易于使用的模塊提供了一個完整的解決方案，具有優(yōu)化的布局和效率，以及符合工業(yè)標準的最小電磁輻射和噪聲。完整的支持包括 EVM、開發(fā)板以及用于加快設計速度的快速啟動工具集。為了精確控制精密驅(qū)動器，TI 的參考設計庫包括一個 48V 三相逆變器，該逆變器配備基于分流器的直列式電機相電流感應參考設計。

• 工業(yè)以太網(wǎng).TI 在網(wǎng)絡通信方面的深入專業(yè)知識意味著可以支持多種標準。該協(xié)議包括基本的設置任務，開源固件可實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

為一體化工廠打造更好的機器人
隨著制造業(yè)在各個層面的高度一體化程度不斷提高，機器人將在執(zhí)行各種各樣的裝配任務中扮演越來越重要的角色，這些任務可以提高產(chǎn)量并為人類提供更安全的工作場所。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人、物流機器人和協(xié)作機器人都有自己的工作要做，機器人開發(fā)人員需要能夠使所有機器人實現(xiàn)準確、安全、具有成本效益的操作的解決方案。

TI 的信號、處理、通信和電源管理 IC 產(chǎn)品有助于提供機器人制造商所需的解決方案。TI 通過軟件工具、EVM 和參考設計以及其他形式的支持來支持其半導體和 IC 產(chǎn)品，這些支持有助于使設計機器人的工作變得更快、更有利可圖。隨著機器人對制造業(yè)的持續(xù)改善，TI 正在幫助開發(fā)人員改進機器人。

6.3 您的工廠比五年級生聰明嗎？
展望工廠自動化的未來，IO-Link 是工業(yè) 4.0 的支持接口。您可以使用 IO-Link 雙向、獨立于制造商的通信協(xié)議來開發(fā)高效且可擴展的“智能工廠”。

TI TIOL111 IO-Link 收發(fā)器和 TIOS101 數(shù)字輸出開關(guān)將有助于在工廠中實現(xiàn)下一代傳感器和執(zhí)行器，同時提供進一步優(yōu)化產(chǎn)品和簡化物料清單的功能。

您可以利用 TIOL111 和 TIOS101 器件之間的引腳兼容性來開發(fā)一個完整的 IO-Link 和支持標準輸入/輸出 (SIO) 的傳感器產(chǎn)品組合，而無需為每個產(chǎn)品使用兩個單獨的 PCB。每個器件都支持預期的接口，同時還支持高級集成保護，包括：

• 16kV 國際電工委員會 (IEC) 61000-4-2 靜電放電 (ESD)。

• 4kV IEC 61000-4-4 電快速瞬變 (EFT) 標準 A。

• 1.2kV/500Ω IEC 61000-4-5（浪涌）。

• ±65V 瞬態(tài)公差。

• 反極性高達 ±55V。

• 過電流/過電壓/過熱。

通過消除或大大減小最初提供保護的外部瞬態(tài)電壓抑制 (TVS)二極管器件的尺寸，這種保護級別可以簡化設計，從而與上一代或同類解決方案相比，降低了總體 BOM 和相關(guān)成本。傳感器的物理尺寸將會繼續(xù)縮小。這些傳感器中最小的一種可能是圓柱形傳感器，如圖 1 所示。

?

圖 1.IO-Link 圓柱形傳感器.

圖 1 頂部的傳感器是帶有圓柱形外殼的成品。中間的導線是傳感器的內(nèi)部 PCB。該 PCB 尺寸為 17.5mm x 2.5mm。為了適應這些小型尺寸，需要一個同樣小的器件來實現(xiàn) IO-Link或 SIO 輸出。了解這些系統(tǒng)要求推動了 TIOL111 和 TIOS101的新封裝開發(fā)。DMW 封裝是目前可用的最小的熱增強型 IOLink 封裝之一。DMW 封裝尺寸為 3.0mm x 2.5mm，它還支持用于導熱的散熱焊盤和直通引腳排布。直通引腳排布（圖 2）通過在一個 X 軸上支持到微控制器的邏輯接口，在另一個 X 軸上支持 24V IO-Link 接口，為 PCB 布局和器件放置提供進一步幫助。

?

圖 2.TIOL111/TIOS101 直通封裝.

TIOL111 和 TIOS101 的殘余電壓很低，僅有 1.75V。使用 IOLink 和 SIO 的傳感器堅固、密封且通常很小。這種小巧的封閉式外形帶來了眾多設計挑戰(zhàn)，其中熱性能是最具挑戰(zhàn)性的挑戰(zhàn)之一。通過支持 1.75V/250mA 的超低殘留電壓，TIOL111 和TIOS101 為功耗和相關(guān)系統(tǒng)熱管理提供了卓越的基礎。表 1列出了高側(cè)和低側(cè)的驅(qū)動器電流輸出和殘余電壓。

表 1. 功率耗散 = 殘余電壓 × 10.

可配置的電流限制是一項附加保護功能，可以保護傳感器并可能防止網(wǎng)絡關(guān)閉。通過一個 0kΩ 至 100kΩ 的電阻器，TIOL111 和 TIOS101 可以支持 50mA 至 350mA 的電流限制。該限制器可以將過電流情況通知可編程邏輯控制器 (PLC)，并通過定期監(jiān)測過電流情況來關(guān)閉器件的輸出。

可配置的限流電阻位于 ILIM_ADJ 引腳上（參見圖 3）。
?

圖 3.TIOL111 應用原理圖.
?

如圖 4 所示，在 ILIM_ADJ 引腳上使用 0Ω 電阻會將最大電流限制默認設置為 350mA。

?

圖 4.電流限制與 RSET 間的關(guān)系。

TIOL111 和 TIOS101 的這些及其他特性和優(yōu)點可以實現(xiàn)最小的傳感器尺寸，同時提供靈活性以支持多種平臺和當前的配置要求。

6.4 機器人系統(tǒng)中與工業(yè)通信相關(guān)的參考設計
?