Infineon移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)控制方案深度解析

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，移動(dòng)機(jī)器人在物流、生產(chǎn)、服務(wù)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。電機(jī)控制作為移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)之一，其性能直接影響著機(jī)器人的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討Infineon的移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)控制解決方案，具體涉及DEMO_IMR_MTRCTRL_V1和DEMO_ANGLE_SENS_V1這兩款開發(fā)板。

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1. 方案概述

本方案主要面向設(shè)計(jì)工程師、技術(shù)人員和開發(fā)者，旨在為他們提供高度集成且高效的機(jī)器人和電池供電電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。方案的核心目標(biāo)是為自主服務(wù)機(jī)器人功能提供演示平臺(tái)，借助Infineon的組件實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，尤其適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)景。

2. 重要注意事項(xiàng)與安全預(yù)防措施

2.1 重要注意事項(xiàng)

評(píng)估板和參考板僅用于演示和評(píng)估，它們并非商業(yè)化產(chǎn)品，因此不適合用于可靠性測(cè)試或生產(chǎn)。這些板子在設(shè)計(jì)時(shí)雖然考慮了環(huán)境條件，但未經(jīng)過完整的安全、制造和全溫度范圍或壽命測(cè)試。用戶有責(zé)任確保其使用方式符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，并且要自行評(píng)估板子對(duì)預(yù)期應(yīng)用的適用性以及文檔信息的完整性和正確性。此外，英飛凌對(duì)這些板子及其文檔信息不提供任何明示或暗示的保證，用戶需自行承擔(dān)使用風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 安全預(yù)防措施

在使用這些開發(fā)板時(shí)，務(wù)必注意安全。由于板子的直流母線電位高達(dá)1000 VDC，在使用示波器測(cè)量電壓波形時(shí)，必須使用高壓差分探頭，以防發(fā)生人身傷害。同時(shí)，板子中的直流母線電容在移除主電源后需要一定時(shí)間放電，在對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行操作前，需等待5分鐘，確保電容放電至安全電壓水平。此外，板子在測(cè)試過程中，散熱片和設(shè)備表面可能會(huì)變熱，操作時(shí)需采取必要的防護(hù)措施。只有熟悉驅(qū)動(dòng)、電力電子和相關(guān)機(jī)械的人員才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、安裝、調(diào)試和維護(hù)。并且，要注意靜電防護(hù)，避免對(duì)板子中的敏感部件造成損壞。

3. 移動(dòng)機(jī)器人與方案的結(jié)合

3.1 移動(dòng)機(jī)器人類型

移動(dòng)機(jī)器人主要分為自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）和自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）兩類。AGV通過激光、條形碼、無線電波、視覺傳感器或磁帶等實(shí)現(xiàn)預(yù)定路徑導(dǎo)航，而AMR則利用自主映射、定位、導(dǎo)航和避障功能，無需外部路徑。這兩類機(jī)器人的運(yùn)行速度通常較低，因此在電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)方面有相似的要求。

3.2 Infineon Mobile Robot (IMR)平臺(tái)

IMR是一個(gè)綜合性的機(jī)器人平臺(tái)，可以與各種不同的板子（如傳感器、電機(jī)控制、無線通信、電池管理等）配合使用。本方案中的DEMO_IMR_MTRCTRL_V1板用于直接驅(qū)動(dòng)IMR中的無刷直流（BLDC）電機(jī)，DEMO_ANGLE_SENS_V1板則為電機(jī)中的轉(zhuǎn)子提供角位置信息，從而實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，特別是在極低速度下。

4. DEMO_IMR_MTRCTRL_V1板詳解

4.1 基本功能

該板可驅(qū)動(dòng)一個(gè)BLDC或步進(jìn)電機(jī)，支持多種角度傳感器選項(xiàng)，包括編碼器和基于霍爾效應(yīng)的傳感器。它采用12節(jié)鋰離子電池供電，但減少電池?cái)?shù)量也可運(yùn)行，不過功率會(huì)相應(yīng)降低。

4.2 接口與通信

板子通過CAN接口進(jìn)行通信，接收速度信息，并將其作為速度環(huán)控制的參考輸入。通過雙列直插式封裝（DIP）開關(guān)可以更改CAN地址，因此多個(gè)板子可以使用相同的固件在同一總線上運(yùn)行。

4.3 電機(jī)選擇

文檔中以GL60外轉(zhuǎn)子云臺(tái)電機(jī)為例，該電機(jī)具有14對(duì)磁極，無需齒輪箱即可實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)。此外，還需要一個(gè)外部J-Link調(diào)試器將固件燒錄到微控制器中。

4.4 規(guī)格參數(shù)

• 輸入輸出：直流輸入電壓范圍為18 - 60 V，標(biāo)稱值為48 V；最大輸入電流為10 A；三相FOC輸出，每相最大輸出電流為5 A（RMS），最大輸出連續(xù)功率為150 W。
• 控制方案：支持有傳感器/無傳感器的FOC速度控制，開關(guān)頻率為20 kHz，采用三個(gè)電流分流器。
• 保護(hù)特性：具備過流保護(hù)（OCP）、欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)、DVDD線性穩(wěn)壓器過壓鎖定（OVLO）保護(hù)以及過溫關(guān)機(jī)（OTS）和警告（OTW）功能。
• 最大組件溫度：在環(huán)境溫度為30°C時(shí)，電阻、陶瓷電容、薄膜電容、電解電容、MOSFET晶體管、二極管和IC的最大允許溫度均小于100°C。
• 尺寸：評(píng)估板的寬度為100 mm，長度為88.09 mm，高度為12.25 mm。

4.5 原理圖設(shè)計(jì)

• 主要芯片：板子的主芯片是IMD701A-Q064X128-AA，這是一款高度集成的芯片，包含一個(gè)完全可編程的驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的Arm? Cortex?-M0微控制器（XMC1404，主頻48 MHz）、一個(gè)三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)集成增益和偏移生成的電流感測(cè)放大器以及一個(gè)集成的同步降壓轉(zhuǎn)換器控制器和LDO，可實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，減少物料清單和復(fù)雜度。
• CAN接口：通過TLE9351VSJ高速CAN收發(fā)器進(jìn)行通信，可直接與IMD701A電機(jī)控制器配合使用，無需電平轉(zhuǎn)換器。可以通過DIP開關(guān)（S1）更改CAN地址。
• 三相逆變器：由六個(gè)OptiMOS? 6 ISZ053N08NM6 80 V/5.3 mΩ開關(guān)組成，每個(gè)相輸出連接到卡邊緣連接器，用于向電機(jī)供電。同時(shí)，每個(gè)半橋都配備了緩沖電容，所有柵極通過0 Ω電阻連接到IMD701A，用于調(diào)試和測(cè)量。
• 接口設(shè)計(jì)：板子通過10針調(diào)試接口進(jìn)行編程，通過卡邊緣連接器提供電池電壓、相輸出電壓、角度傳感器引腳和CAN接口。卡邊緣連接器的設(shè)計(jì)基于Sullins Connector Solutions的EBC18DCWN-S371插座連接器。

5. 電機(jī)選擇與應(yīng)用

由于電機(jī)控制板用于AGV/AMR應(yīng)用，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求通常是低外形尺寸、低重量和低轉(zhuǎn)速。因此，選擇了具有高極對(duì)數(shù)的GL60電機(jī)，該電機(jī)通常用于云臺(tái)系統(tǒng)，可在極低速度下實(shí)現(xiàn)無齒槽運(yùn)動(dòng)。電機(jī)具有14對(duì)磁極，額定電壓為24 V，但制造商建議可以在48 V下運(yùn)行。電機(jī)的直徑為69 mm，厚度為22.3 mm，相電感為2.72 mH，相電阻為5.5 Ω。電機(jī)通過螺絲安裝，電纜可以穿過電機(jī)。在電機(jī)的聯(lián)軸器內(nèi)安裝了一個(gè)磁鐵，用于讓頂部的旋轉(zhuǎn)傳感器PCB感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度。由于磁鐵的磁化方向可能會(huì)因安裝位置而不同，因此需要在固件中校準(zhǔn)電機(jī)的偏移位置。

6. DEMO_IMR_ANGLE_SENSE_V1板詳解

6.1 角度傳感器

由于應(yīng)用需要低速和從零速開始的扭矩，無傳感器方法的性能較差，因此設(shè)計(jì)了帶有TLI5012B E1000的角度傳感器PCB。TLI5012B E1000是一款360°角度傳感器，通過測(cè)量正弦和余弦角度分量來檢測(cè)磁場(chǎng)方向，內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字處理以計(jì)算磁場(chǎng)（磁鐵）的角度方向。該傳感器是預(yù)校準(zhǔn)的，校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)在激光熔絲中，啟動(dòng)時(shí)熔絲的值會(huì)寫入觸發(fā)器，可通過特定應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行更改。此外，內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)算法可提高在寬溫度范圍和長壽命下的角度測(cè)量精度。

6.2 接口模式

傳感器支持多種接口模式，包括雙向同步串行通信（SSC）、脈寬調(diào)制（PWM）協(xié)議、短PWM代碼（SPC）協(xié)議、霍爾開關(guān)模式（HSM）和增量接口（IIF）。本方案中使用的是IIF類型（E1000），它模擬了占空比為50%的光學(xué)正交編碼器的操作，可通過寄存器配置每旋轉(zhuǎn)的步數(shù)，旋轉(zhuǎn)方向可通過IFA和IFB通道之間的相移（A/B模式）或IFB通道的電平（Step/Direction模式）來確定。

6.3 原理圖與PCB設(shè)計(jì)

PCB上有IIF和SPI兩種接口選項(xiàng)，本應(yīng)用中僅使用IIF接口。使用IIF接口時(shí)，初始角度檢測(cè)較為困難，因?yàn)閱?dòng)后IIF會(huì)傳輸與實(shí)際絕對(duì)角度值相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，微控制器通過這些脈沖獲取絕對(duì)位置信息。IFC引腳提供指示零交叉的索引信號(hào)，需要在微控制器的POSIF接口激活后啟動(dòng)傳感器。PCB上有兩個(gè)長孔，可實(shí)現(xiàn)靈活定位，適用于其他應(yīng)用。

總結(jié)

Infineon的移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)控制解決方案通過DEMO_IMR_MTRCTRL_V1和DEMO_ANGLE_SENS_V1開發(fā)板，為移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)控制提供了高度集成、高效且精確的解決方案。其在硬件設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇、角度傳感器應(yīng)用等方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足AGV/AMR等移動(dòng)機(jī)器人在低速運(yùn)行時(shí)的電機(jī)控制需求。不過，在使用過程中，工程師們一定要嚴(yán)格遵守重要注意事項(xiàng)和安全預(yù)防措施，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和人員安全。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似方案的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。