【導(dǎo)讀】人形機(jī)器人實現(xiàn)高度擬人化的流暢運(yùn)動與靈敏交互，其核心挑戰(zhàn)在于對復(fù)雜動態(tài)環(huán)境的精準(zhǔn)控制與瞬時響應(yīng)。在這一過程中，精確的電機(jī)電流檢測扮演了不可或缺的“神經(jīng)感知”角色。這些測量所得的數(shù)據(jù)，會被機(jī)器人關(guān)節(jié)處致動器的控制算法深度運(yùn)用，進(jìn)而助力機(jī)器人實現(xiàn)精準(zhǔn)無誤的移動以及卓越的動態(tài)性能表現(xiàn)。特別是在執(zhí)行那些對電機(jī)控制要求極為精細(xì)、需要機(jī)器人具備高度靈敏行為的復(fù)雜任務(wù)時，維持高精度的電流檢測更是不可或缺。
人形機(jī)器人實現(xiàn)高度擬人化的流暢運(yùn)動與靈敏交互，其核心挑戰(zhàn)在于對復(fù)雜動態(tài)環(huán)境的精準(zhǔn)控制與瞬時響應(yīng)。在這一過程中，精確的電機(jī)電流檢測扮演了不可或缺的“神經(jīng)感知”角色。這些測量所得的數(shù)據(jù)，會被機(jī)器人關(guān)節(jié)處致動器的控制算法深度運(yùn)用，進(jìn)而助力機(jī)器人實現(xiàn)精準(zhǔn)無誤的移動以及卓越的動態(tài)性能表現(xiàn)。特別是在執(zhí)行那些對電機(jī)控制要求極為精細(xì)、需要機(jī)器人具備高度靈敏行為的復(fù)雜任務(wù)時，維持高精度的電流檢測更是不可或缺。
每個關(guān)節(jié)中的致動器通常是永磁同步電機(jī) (PMSM)，根據(jù)電機(jī)移動所需的負(fù)載大小具有不同的電流要求。電流電平通常在 0.2A 至 83A 之間變化，大多數(shù)驅(qū)動器在 0.2A 至 31A 之間變化。人形機(jī)器人由電池供電，供電電壓通常為 48V，或者在 39V 至 54V 之間，具體取決于電池的電量狀態(tài)。
典型電流要求可劃分為以下選項：
? 0.2A 至 2A：手腕和手
? 2A 至 6.3A：腳踝、肩部和頸部
? 21A 至 40A：肘部
? 52A 至 83A：膝蓋、臀部和臀部中心
人形機(jī)器人中的電流檢測
人形機(jī)器人中的電機(jī)必須以不同的速度和扭矩水平運(yùn)行，這是通過磁場定向控制 (FOC) 等電機(jī)控制算法實現(xiàn)的。該算法在微控制器上運(yùn)行，并將可變脈寬調(diào)制 (PWM) 信號應(yīng)用于控制功率 FET 的柵極驅(qū)動器，如圖 1 所示。
圖 1. 電機(jī)控制方框圖
電流檢測和監(jiān)控功能可驗證人形機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的電機(jī)性能是否可靠。人形機(jī)器人中的電流檢測通常用于監(jiān)控流入電機(jī)繞組的電流。這些測量是電機(jī)控制算法的重要輸入，因為這些算法提供有關(guān)電機(jī)負(fù)載、性能和電氣行為的實時信息。此數(shù)據(jù)允許算法精確調(diào)整電壓和扭矩輸出，確保穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確定位。例如，F(xiàn)OC 算法從電流傳感器接收繞組的電流消耗數(shù)據(jù)，并從編碼器接收電機(jī)軸的位置，然后確定需要應(yīng)用于柵極驅(qū)動器的相應(yīng) PWM 信號。
電流監(jiān)控可實現(xiàn)對電機(jī)性能的實時控制，從而實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)、扭矩管理和功耗監(jiān)控。因此，三相電流測量是該算法有效控制人形機(jī)器人電機(jī)所需的關(guān)鍵輸入之一。
此外，電流傳感器在系統(tǒng)安全方面發(fā)揮著重要作用，有助于識別潛在的故障或異常，如電機(jī)過熱、過載或絕緣故障。繞組損壞會導(dǎo)致電流消耗異常，在某些情況下，電流消耗可能過高，如果不及時解決，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或停機(jī)。通過分析電流傳感器測量，系統(tǒng)可以評估電機(jī)運(yùn)行狀況并在需要時實施保護(hù)措施。例如，系統(tǒng)可以啟動可控且安全的關(guān)斷，在發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或危險情況之前防止這種情況發(fā)生。因此，為了保持峰值系統(tǒng)可靠性并更大限度地降低事故風(fēng)險，請務(wù)必注意在電機(jī)控制系統(tǒng)中集成穩(wěn)健且精確的電流檢測設(shè)計。
電流檢測方法
在人形機(jī)器人中，可以使用各種方法測量流經(jīng)電機(jī)的電流，例如低側(cè)、高側(cè)或直列式電流檢測。為了測量電流，可以使用由運(yùn)算放大器（運(yùn)放）、電阻器和電容器等分立式元件構(gòu)建的放大器。另外，電流檢測放大器、Δ-Σ 調(diào)制器或霍爾效應(yīng)傳感器等專用集成電路 (IC) 也可以提供高效的設(shè)計。本應(yīng)用簡報重點介紹德州儀器 (TI) 用于人形機(jī)器人的電流檢測放大器、隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器和隔離式霍爾效應(yīng)電流傳感器產(chǎn)品。
電流檢測是根據(jù)歐姆定律進(jìn)行的，用于估算流經(jīng)系統(tǒng)的電流。根據(jù)歐姆定律，通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體上的壓降成正比，與電阻成反比。將一個稱為分流電阻器的電阻器放置在系統(tǒng)中，以使用歐姆定律來測量電流消耗。分流器在需要進(jìn)行電流測量的電路中串聯(lián)放置。流經(jīng)分流器的電流會導(dǎo)致分流器上發(fā)生壓降。壓降通常很小，通常在毫伏范圍內(nèi)，因此需要使用電流檢測 IC 進(jìn)行放大。通常會對這一電壓差進(jìn)行測量和放大，以產(chǎn)生合理的輸出電壓。然后，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和微控制器，使用輸出電壓估算流經(jīng)系統(tǒng)的電流。這種方法被視為干擾性方法，因為分流器是在系統(tǒng)中引入的，并且分流器會消耗一些功率。分流電阻器的位置因電流測量技術(shù)而有所不同。
低側(cè)電流檢測
在這種方法中，分流電阻器放置在電源接地端和 FET 之間，如圖 2 中所示。
圖2. 低側(cè)電流測量
然后由連接到端子的電流檢測 IC 放大電阻器兩端的壓降。由于分流電阻器的位置靠近接地端，因此共模電壓保持接近 0V。但是，將分流電阻器放置在該位置會影響系統(tǒng)接地，從而使系統(tǒng)接地不再是實際接地。因此，該方法無法檢測系統(tǒng)接地短路。通常會使用兩個或三個電流傳感器來進(jìn)行測量。如果只存在兩個傳感器，則第三個值可通過另外兩個讀數(shù)計算得出。該計算必須由微控制器處理，但該計算無法始終反映電機(jī)消耗的實際電流。原因在于，僅當(dāng)連接到分流電阻器的 FET 導(dǎo)通時，測量才有效。因此，需要進(jìn)行大量后處理來準(zhǔn)確估算電機(jī)的電流消耗。
高側(cè)電流檢測
在這種方法中，分流電阻器放置在直流母線和 FET 之間，如圖 3 中所示
圖 3. 高側(cè)電流測量
電阻器上的壓降由電流傳感器放大并輸出，從而使共模電壓幾乎等于總線電壓。此設(shè)置可確保系統(tǒng)的接地不受影響。由于電源電壓決定了共模電壓，因此電流檢測 IC 必須能夠處理更高的電壓，尤其是在電源電壓較高的系統(tǒng)中。與前一種方法類似，僅當(dāng)連接到分流電阻器的 FET 導(dǎo)通并且需要大量后處理時，測量才有效。
直列式電流檢測
這是使用最廣泛的電流測量方法之一，其中一個分流電阻器添加到電機(jī)的每個相位，如圖 4 所示。
圖 4. 直列式電流測量
分流電阻器上的壓降由電流檢測器件放大，然后反饋回微控制器以進(jìn)行進(jìn)一步處理。這種方法比其他兩種方法有效得多，因為該方法可針對電機(jī)的每個相位提供電流測量，因此是控制算法最精確且基本的測量方法。此外， FET 的狀態(tài)不會影響電流測量，并且可以檢測系統(tǒng)短路。盡管高頻率 PWM 信號會帶來挑戰(zhàn)，但德州儀器 (TI) 的現(xiàn)代電流傳感器旨在高效地處理這種情況。TI 提供各種帶隔離和不帶隔離的電流檢測設(shè)計。此外，TI 提供具有集成分流電阻器的電流檢測放大器，無需外部分流電阻器即可實現(xiàn)緊湊的設(shè)計。下文討論了近期發(fā)布的電流檢測放 大器以及針對人形機(jī)器人應(yīng)用的推薦設(shè)計。
電流檢測設(shè)計
電流檢測器件是人形機(jī)器人的重要組件，可提供低側(cè)、高側(cè)或直列式電流檢測。直列式電流檢測是在人形機(jī)器人每個關(guān)節(jié)處進(jìn)行精確電機(jī)控制的最精確方法。隨著這些機(jī)器人的自由度和功能不斷擴(kuò)大，對電流檢測的要求變得更加重要。INA241A、INA790x 和 INA750x 專門為直列式電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計。這兩款器件都包含增強(qiáng)型 PWM 抑制功能，支持高達(dá) 125kHz 的開關(guān)頻率。由于輸入端的共模瞬變，這可以使輸出端的信號干擾最小。
INA241A 是當(dāng)今市場上精度最高的電流檢測放大器，可實現(xiàn)更嚴(yán)格的控制環(huán)路。該放大器具有 -5V 至 110V 的共模電壓能力和出色的性能，失調(diào)電壓較低（最大值為 ±10μV）、增益誤差很小（最大值為 ±0.01%），并具有高直流 CMRR（典型值為 166dB）。表 1 列出了與主要競品的 INA241A 規(guī)格比較。
表1. 器件比較
此外，高帶寬 (1.1MHz) 和高壓擺率 (8V/μs) 有助于防止快速浪涌電流，并提供信息以更快的速率控制電機(jī)。圖 5 顯示了在共模瞬態(tài)較大使得輸出干擾很小的情況下增強(qiáng)型 PWM 抑制功能的結(jié)果。
圖5. INA241x 的增強(qiáng)型 PWM 抑制性能
雖然 INA241A 是一款需要外部分流電阻器的分立式電流檢測放大器，但 TI 推出了采用 EZShunt? 技術(shù)的器件產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品系列在單芯片設(shè)計中提供集成式分流電阻器。這為設(shè)計帶來了簡單性，同時減少了布板空間和成本，并提供出色的性能。INA790x 和 INA750x 均為針對人形機(jī)器人的集成設(shè)計，具有增強(qiáng)型 PWM 抑制功能。兩種器件均具有 -4V 至 110V 共模電壓能力，INA790x（采用 400μΩ 電阻器）在 25°C 下的載流能力為 75Arms，而 INA750x（采用 800μΩ 電阻器）在 25°C 下的載流能力為35Arms。隨著這些人形機(jī)器人的運(yùn)動范圍不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)中所需的電流檢測器件的數(shù)量也在不斷增加。PCB 面積減小成為人形機(jī)器人應(yīng)用中的一項主要優(yōu)勢。與標(biāo)準(zhǔn) MSOP 封裝和分流器相比，INA790x 的 PCB 尺寸減少了 38%，如圖 6 所示。
圖 6. INA790 使用標(biāo)準(zhǔn) MSOP + 分流器可減少 38% 的 PCB 空間
加熱是人形機(jī)器人的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素。這些 EZShunt? 器件在溫度范圍內(nèi)具有出色的性能，因為這些器件包含內(nèi)置的編程溫度補(bǔ)償功能，即使溫度在器件的整個額定溫度范圍內(nèi)發(fā)生變化，也能保持器件測量的精確度。這可導(dǎo)致總設(shè)計漂移低至 35ppm/°C。額外考慮因素是通過器件散熱。這些 EZShunt? 器件具有基于環(huán)境溫度的連續(xù)載流能力，每個 EZShunt? 數(shù)據(jù)表都通過安全工作區(qū)曲線概述了這一點。為了確保限制整個封裝的熱耗散，設(shè)置有該安全工作電流水平，以便不對電阻器、封裝造成損壞，或者器件的內(nèi)部結(jié)溫不超過 165°C 限值，使整個溫度范圍內(nèi)的性能可靠。
表 2. 相關(guān)器件
備選器件建議
不具備 PWM 抑制功能的替代器件是 INA296A 和 INA791x。INA296A 是分立式設(shè)計，而 INA791x 是集成分流器 設(shè)計。這些器件可用于具有高達(dá) 110Vcm 寬共模電壓范圍的高側(cè)檢測，并且可以承受負(fù)共模電壓擺幅。
INA381 是一款成本優(yōu)化型低電壓電流檢測放大器，具有可提供過流警報的集成比較器，用于滿足低側(cè)檢測需求。
表 3. 備選器件建議
隔離式霍爾效應(yīng)電流傳感器
除了電流檢測放大器，TI 還為高壓交流或直流測量提供隔離式霍爾效應(yīng)電流檢測設(shè)計。該產(chǎn)品系列為大型工業(yè)機(jī)器人中常見的 400V 至 600V 高電壓電平提供隔離式傳感設(shè)計。這些產(chǎn)品提供專為直列式相位監(jiān)測設(shè)計的模擬輸出，以及有利于過流保護(hù)的附加過流比較器特性。這些器件目前具有高達(dá) 125Arms 的載流能力和 1MHz 選項。TMCS1123 (250kHz) 和 TMCS1133 (1MHz) 具有 670μΩ 阻抗，能夠在 SOIC-16 封裝中實現(xiàn) 80Arms 的載流能力。TI 的所有霍爾效應(yīng)電流傳感器均能提供行業(yè)領(lǐng)先的精度和低漂移設(shè)計。其它封裝創(chuàng)新設(shè)計支持小尺寸、高載流方法。
隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器 & 放大器與調(diào)制器
設(shè)計人員可以在兩種隔離式電流檢測設(shè)計之間進(jìn)行選擇；一種具有模擬輸出，另一種具有調(diào)制器輸出。在基于隔離式放大器的設(shè)計中，測得的模擬信號經(jīng)過多次模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。隔離式放大器內(nèi)的各級、差分轉(zhuǎn)單端級以及 ADC（位于 MCU 或 DSP 外部或內(nèi)部）會降低整體精度和噪聲性能，還會增加延遲。但是，放大器具有簡單和易于集成的特性。
或者，基于隔離式調(diào)制器的設(shè)計僅進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。此類設(shè)計無需差分轉(zhuǎn)單端級，因此減少了元件數(shù)量，縮小了設(shè)計尺寸。此外，也無需基于隔離式放大器的設(shè)計中使用的 ADC。該 ADC 在許多情況下會限制可實現(xiàn)的最大采樣分辨率和精度。與基于隔離式放大器的設(shè)計相比，基于隔離式調(diào)制器的方法提高了信號噪聲性能和總體精度，并可以實現(xiàn)更高的信號帶寬和更低的延遲。
帶調(diào)制器機(jī)器人簡介
隨著機(jī)器人市場增長，對經(jīng)濟(jì)高效、小尺寸的精密而高效器件的需求日益迫切。TI 的隔離式同相電流檢測調(diào)制器可提供滿足所有這些要求的設(shè)計。通過使用 AMC0106M05 或 AMC0106M25，用戶可以將器件配置為實現(xiàn) >14 位的分辨率，從而可以精確控制電機(jī)，將設(shè)計尺寸減小 >50%，并在 PWM 開關(guān)事件期間進(jìn)行連續(xù)測量。
ENOB
AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能上的隔離式 Δ-Σ 電流檢測調(diào)制器可以實現(xiàn)更精確的電流測量。與如今的 8 位到 11 位模擬設(shè)計相比，這些器件具有 12 到 14 個有效位數(shù) (ENOB)，如圖 7 所示。測量精度的提高可以改進(jìn)對低電流和電壓電平的測量，從而實現(xiàn)精細(xì)的機(jī)器人任務(wù)和移動。
圖 7. 相電流 ENOB 與 OSR 間的關(guān)系
PWM
與低側(cè)分流檢測相比，直列式相電流檢測可實現(xiàn)更高的性能、連續(xù)測量并在整個 PWM 周期內(nèi)更精確地控制電機(jī)相電流。因此，伺服驅(qū)動器和機(jī)器人應(yīng)用通常選擇直列式相電流檢測。
PWM 開關(guān)在相電流采樣期間發(fā)生。因此，至關(guān)重要的是相電流傳感器不受高共模電壓瞬態(tài)干擾，并且不影響測量精度。圖 8 顯示了一個 PWM 周期內(nèi)電機(jī)相電流之一和相應(yīng) PWM 電壓的簡化圖表。
圖 8. 閉環(huán)相電流控制和短路檢測中的電流采樣
AMC0106M05 和 AMC0106M25 調(diào)制器具有 150V/ns 的高 CMTI，可以隨時連續(xù)采樣，這與競品的設(shè)計不同，后者在 PWM 開關(guān)期間具有消隱時間。
表 4. 相關(guān)器件
表 5 中總結(jié)了測量電流的選項。
表 5. 電流檢測方法比較
結(jié)語
人形機(jī)器人包含很多用于控制關(guān)節(jié)的電機(jī)。電流檢測在監(jiān)測這些電機(jī)和為其提供反饋方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。低側(cè)、高側(cè)和直列式電流檢測可用于監(jiān)控電流，但直列式電流檢測為人形機(jī)器人中的電機(jī)控制提供了最有效的方法。德州儀器 (TI) 擁有許多面向直列式電機(jī)控制的電流檢測設(shè)計，包括 INA241A、INA790x 和 INA750。所有這些器件都包含增強(qiáng)型 PWM 抑制特性和高帶寬，以盡可能地減小輸出端的干擾并實現(xiàn)較短穩(wěn)定時間。TI 精選的功能上隔離式電流檢測調(diào)制器由 AMC0106M05 和 AMC0106M25 組成，能夠以小巧的外形實現(xiàn)超高的精度，并在整個 PWM 周期內(nèi)實現(xiàn)高 CMTI 和連續(xù)檢測且沒有消隱時間。TI 的這些高精度小尺寸設(shè)計可幫助工程師滿足人形機(jī)器人從頭部到腳趾的電流檢測要求。
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