自主移动机器人 (AMR) 为不同领域和行业带来了诸多优势，包括提高了安全性和效率。然而，为了能够安全、独立地工作，这些复杂的系统需要精心集成多项技术。在开发 AMR 时，设计阶段在很大程度上决定了 AMR 成功与否，因此至关重要。本文详细讨论了 AMR 的两个重要组件——电源和运动控制的设计注意事项，以及安森美(onsemi)提供的相应解决方案。

图 1：安森美自主移动机器人演示

为 AMR 供电

自主移动机器人中使用的电源系统和电源组件会对其总电池寿命和工作时长产生重大影响。为 AMR 设计电源系统时要考虑的重要性能特征和参数包括：

• 能量密度
• 电压和电流要求
• 效率
• 方案尺寸

AMR 通常使用锂离子电池，因为此类电池的能量密度高，使用时间长。同时，电源管理单元可调节从电池到其他组件的功率流。电压和电流水平通过开关转换器和稳压器进行控制。AMR 中的电池管理系统可监控电池的状态、电量、温度和电流，以确保 AMR 安全高效地运行，而车载电池充电器的规格取决于电池类型、容量和电压。智能电源模块为电机控制系统提供高功率开关。IPM 中的功率开关配有栅极驱动器，用于提供相应的信号来打开和关闭开关。功率因数校正 (PFC) 控制器可提升电源系统的总效率。安森美的 PFC 控制器非常适合 AC-DC 电源应用，比如图腾柱无桥 PFC 前端或基于 LLC 谐振拓扑的 DC-DC 级。它们还适用于高电压 DC-DC 功率级，可在 AMR 中实现高效率和高密度快速电池充电器设计。

图 2：AMR 电源解决方案

AMR 执行器的电机设计

在 AMR 中，电机驱动型执行器用于移动机器手臂和轮子，因此其选择至关重要。AMR 需要采用效率高且紧凑轻便的高扭矩和高速执行器。选择执行器时，需要对无刷直流 (BLDC) 电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和栅极驱动器等组件进行评估。

与有刷电机相比，BLDC 电机具有多个优势。其效率高、噪声低且高度可靠，可以减少维护工作，因此被应用于 AMR 中。然而，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器。三相 BLDC 电机广泛用于机器人和工业驱动器。

图 3：AMR BLDC 电机控制解决方案

电机控制器的功能是精确控制 AMR 执行器中的电机。这些器件可完全集成（通过嵌入式控制算法）；或者，可使用运行电机控制算法的专用微控制器单元 (MCU)。（AMR 中常见的）三相电机由功率晶体管使用脉宽调制 (PWM) 开-关信号驱动。这些开关可由硅或宽禁带材料制成，比如碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN)。安森美提供多个 BLDC 电机控制解决方案，包括ECS640A ecoSpin™ 电机控制器 UCB、NCP81075栅极驱动器，以及可用于加速 AMR 执行器开发的电源板。

UCB 是基于 Xilinx® Zynq®-7000 SoC 的系统级模块 (SoM)，非常适合精密应用，也可用于先进的人工智能 (AI) 。此外，安森美提供基于屏蔽栅极沟槽技术的 MOSFET（30V 至 150V），并提供 u8FL、SO8-FL、双面冷却和顶部冷却等封装选项。基于 T10 技术的全新 30-40V 和 80V MOSFET 支持低压与中压应用。T10 器件分为两大类别，分别用于电源转换和电机控制。用于电机控制的 T10M 器件提供出色的导通电阻，UIS 能力提高 10%，并具有优异的体二极管软恢复性能，可降低电压尖峰并解决 EMI 问题。对于高功率应用中的三相 BLDC 电机，安森美推荐使用基于 PTNG 技术的 MOSFET（80 V、100 V、120 V 和 150 V），而 NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC 和 NTBLS4D3N15MC MOSFET 可满足高性能应用的要求。

为您的设计寻找合适的合作伙伴

要打造灵活而智能的自主移动机器人，电源和运动控制技术发挥的作用很关键。随着时间推移，单个系统和组件的选择可对这些先进方案的性能与可靠性产生显著影响。安森美可以全力支持设计人员完成选择过程，确保 AMR 能够充分发挥其潜能。