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1、工業機器人設計工程師指南機器人系統設計技術文檔匯編 Q2|2020電子書工業機器人設計工程師指南 2 2Q 2020 I 德州儀器(TI)目錄/概述1.簡介 1.1 工業機器人系統簡介.32.機器人系統控制器 2.1 控制面板2.1.1將Sitara處理器應用于工業 4.0伺服驅動器.92.2 機器人系統的伺服驅動器2.2.1隔離式柵極驅動器的影響.132.2.2了解峰值源電流和灌電流參數.172.2.3帶UVLO和BJT圖騰柱的低側柵極驅動器.192.2.4適用于柵極驅動器的外部柵極電阻器設計指南 202.2.5用于提供過流保護的高側電機電流監測.222.2.6增強型PWM抑制為直列式電機控

2、制帶來的五大好處.242.2.7如何避免控制系統遭受熱損壞.262.2.8高精度電機驅動控制如何推動工業發展.292.2.9在整個溫度范圍內發揮功率級的最大效用.332.2.10 非分立式解決方案：如何簡化48V至60VDC饋電的三相逆變器設計.352.2.11 選擇三相電機驅動器中使用的基于分流器的電流感應放大器.382.3.1機器人系統中與伺服驅動相關的參考設計.443.機械臂和驅動系統（機械手）3.1.1 如何保護電池的電源管理系統免受熱壞.453.1.2 保護電池并不像您想的那么難.463.1.3 機器人系統中與位置反饋相關的參考計.474.傳感和視覺技術 4.1機器人應用中的TI毫米

3、波雷達傳感器.484.2邊緣智能為自主工廠提供助力.534.3對智能機器人使用超聲波傳感.554.4傳感器數據如何賦能機器人技術中的AI.574.5將機器學習引入嵌入式系統.614.6機器人可以應對新的挑戰和功能.654.7機器人系統的視覺和傳感技術參考設計.665.機器人工具技術（末端執行器）5.1利用TIDLP技術驅動的結構光系統實現高精度的撿拾功能.676.機器人工業通信 6.1為傳感器選擇合適的工業通信標準.696.2賦能機器人以實現更高水平的工廠自動化.736.3您的工廠比五年級學生聰明嗎？.766.4機器人系統中與工業通信相關的參考設計.78工業機器人設計工程師指南 3 2Q 20

4、20 I 德州儀器(TI)德州儀器(TI)的模擬和嵌入式技術以及參考設計可幫助工程師開發智能、自主和協作的機器人。本電子書旨在一站式提供與機器人技術相關的內容。利用我們的技術可以構建多種類型的工業機器人，實現精確的電機控制、差異化的傳感技術和邊緣處理功能，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作機器人和工廠機器人：協作機器人與人類并肩工作，以提高工作質量。協作機器人可以檢測并停止運動，從而幫助創建一個更安全的工作環境。工廠機器人在制造過程中執行自動可編程動作。為了創建一個更安全的工作環境，機械或傳感器技術有助于防止機器人干擾人類活動。工業機器人有六種類型：垂直關節型。笛卡爾坐

5、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容。任務管理的進步由軟件、傳感器和電子技術共同推動，并在過去50年中推動了工業機器人市場的發展。本電子書匯集了技術文章、白皮書和應用手冊，介紹了適用于這些工業機器人系統構建塊的TI技術：機器人控制器系統。機械手（機械臂）/驅動系統。傳感和視覺技術。末端執行器（機器人工具）。1.1工業機器人系統簡介在介紹典型機器人系統中使用的不同技術之前，讓我們先討論一下機器人系統的不同組成部分，如圖1所示。您可以看到，該系統分為不同的構

6、建塊：控制器系統、機械手、示教器、視覺和傳感器以及末端執行器（機器人工具）。圖1.采用協作機器人的機器人系統。國際標準化組織(ISO)8373:2012標準描述了圖1所示的各個構建塊，并定義了與工業和非工業環境中運行的機器人和機器人設備相關的術語：控制器系統。ISO8373標準規定：“一組邏輯控制和電源功能，可以監測和控制機器人的機械結構并與環境設備和用戶進行通信?！彼菣C器人的大腦，可包括運動控制器、內部和外部通信系統以及任何潛在的功率級。第1章：簡介工業機器人設計工程師指南 4 2Q 2020 I 德州儀器(TI)機械手.ISO8373標準還規定：“一種機器，其機構通常由一系列相互連接或滑

7、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行器?！睓C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，以實現執行某一任務而需要進行的移動。示教器.用于對工業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。機器人末端執行器。連接在機器人“手腕”或臂端工具(EOAT)上的設備。系統控制器通過對簡單工具使用離散輸入/輸出(I/O)或對更高級的工具使用工業通訊協議來控制機器人末端執行器。視覺和傳感器。機器人的這些器件能夠掃描周圍環境，并在人類接近時停止（對于

8、工業機器人而言）或降低（對于協作機器人而言）機器人的速度。視覺/傳感是通過激光雷達(LIDAR)、基于雷達的安全區域掃描儀或3D攝像機來實現的。除了安全區域掃描儀之外，協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。在設計機器人系統的構建塊時，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范。讓我們討論一下定義機器人系統架構時的一些典型注意事項。機器人應該執行哪種類型的任務？根據應用的不同，不同類型的機器人具有不同的優勢。典型的工業機器人有：關節型。這種機器人設計具有旋轉軸，旋轉軸的數量從簡單的三軸結構到10個或更多關節不等。

9、機械手通過扭轉關節連接到基座。旋轉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旋轉運動的連接軸。三個平移關節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軸和至少一個連接到連桿的平移軸。旋轉軸使用沿軸線的旋轉運動，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，機械手通過扭轉軸以及兩個旋轉軸和一個線性軸的組合連接到基座。軸形成球坐標系并創建球形工作環境。選擇順應

10、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節平行四桿機構構建而成。Delta機器人的平行四桿機構有三個軸。對于末端執行器，它可以具有一到三個軸。平行四桿機構在圓頂形的工作區域中移動單個EOAT。該機器人配置廣泛用于食品、制藥和電子行業，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該功能。該力由電能產生，并從功率級提供給電機。此功率要求是確定機器人

11、屬于高壓系統還是低壓系統的其中一個因素。高壓機器人系統需要定義隔離架構以確保安全運行。第1章：簡介工業機器人設計工程師指南 5 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第1章：簡介電子設備會集中到系統控制器中嗎？在集中式系統中，機器人控制柜包括控制機器人機械手的大多數電子模塊。圖2 是一個集中式機器人的示例。圖2.集中式機器人系統示例.Robot controller system cabinetCircuit brakerIndustrial robotteach pendant(HMI)Industrial robotCPU boardRobot controllerServo driveco

12、ntrol moduleServo drivepower supply moduleIdustrial robotsensing moduleManipulatorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorIndustrial robotcommunication moduleIndustrial robotIO moduleE-stopEnd effector(tool)Servo drivecontrol panelAC mainsFANPoint-to-point ordaisy-chainServo driveposit

13、ion feedbackAxis 1PMSMAxis 2Axis NPosition feedbackaggregatorPoint-to-point ordaisy-chainN is typicallybetween 3 to 7Optional axis controllerdepending on gearHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGe

14、arServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensor工業機器人設計工程師指南 6 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第1章：簡介在分散式系統中，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。在分散電子內容時，請

15、務必記住，現在使用電子產品的環境與集中式系統的環境不同。這種環境變化需要對電子產品進行重新規范，并且通常需要對部分系統進行重新開發。機器人的不同子系統之間將如何通信？接口要求是什么？為了確保實時功能，需要定義子系統之間傳遞哪些控制參數，以及末端執行器和機械手通信的參數重復率和延遲。圖4 包括了一些典型的機器人實時時序值?，F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。Servo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo drivePMSMHolding brakeGearServo drivepositio

16、n sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo drivePMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorRobot controller system cabinetCircuit brakerIndustrial robotteach pendant(HMI)Industrial robotCPU boardRobot controllerIndustri

17、al robotcommunication moduleServo drivepower supply moduleManipulatorServo drivepower stage moduleServo drivecontrol moduleServo driveIndustrial robotIO moduleE-stopEnd effector(tool)Servo drivecontrol panelAC mainsFANPoint-to-point ordaisy-chainAxis 1PMSMAxis 2Axis NN is typicallybetween 3 to 7Opti

18、onal axis controllerdepending on gearHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorBrakeResistorIndustrial robotsensing module圖3.分散式機器人系統示例.工業機器人設計工程師指南 7 2Q 2020 I 德州儀器(TI)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

19、考慮?，F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境的反饋，而是將按照編程程序執行其任務。自適應機器人使用輸入和輸出數據來生成環境數據。利用這些數據，機器人可以對環境變化做出反應，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境數據非常重要。數據可能是預定義的參數，例如用于質量定義的材料數量、尺寸或形狀?；蛘呖赡苁遣皇芸刂频膮?，例如有人在機器人周圍走動或發生故障，當檢測到這些情況發生時會將機器人置于安全狀態。第1章：簡介圖4.機器人控制的實時通信時序需求.PMSMGearServo driveposition se

20、nsorServo driveposition sensorMotioncontrolPosition and speed control FOC Typical high-speed or parallel I/F Less signals to potentially isolateIndustrial robot CPU board Robot/motion control Position and speed controlServo drive control module Position and speed control Current controlCurrent contr

21、ol FOCPWMunitA/DEncoderinterfaceEncoderinterfacePotentialisolation barrier1 kHz to 32 kHz1 kHz to 16 kHzPosition and speed control:Current control:8 kHz to 64 kHz(if double update)IQREFVA,VB,VCIA,IB,IC,VDCRotor angle/speedRotor angleAxis angle/speedMotor angle feedbackoptional axis angle feedbackInd

22、ustrial ethernet fieldbusDigitalAnalogPWM:8 kHz to 32 kHzDC voltagePhase current(3x or 2x)VDC48 V to 1200 VAxis 1Absolute encoderincremental encoderresolver工業機器人設計工程師指南 8 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第1章：簡介自適應機器人需要一個傳感模塊。區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。它可以監控機械手的周圍區域，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

23、設計機器人系統時，應該遵循全球和本地安全標準。不了解相關標準便開始設計工作可能會大大延遲產品上市時間。許多組織可提供咨詢服務，幫助您了解根據安全標準設計安全系統的硬件含義，這些組織包括技術監督協會(TV)萊茵、TV南德和TV北德。結論機器人是一個非常復雜的系統，在機電一體化和功能性以及電氣方面存在許多設計挑戰。在實現一個可行的工作系統前，您需要解決了這些挑戰或做出一些決定。利用機器人系統的所有不同技術特性，德州儀器(TI)的模擬和嵌入式技術提供了許多不同的產品和設計，可以幫助解決與機器人有關的問題，實現智能、自主和協作機器人的開發。這本電子書匯集了技術文章、白皮書和應用手冊，它們均包括有助于幫

24、您設計下一個機器人系統的技術。作者：KristenMogensen工業機器人設計工程師指南 9 2Q 2020 I 德州儀器(TI)2.1控制面板2.1.1將Sitara處理器應用于工業4.0伺服驅動器制造和自動化行業已經使用了多年的伺服電機控制技術，但是工業4.0和智能工廠的興起加速了自動化系統的應用，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動器的需求。以前，高端微控制器和大型現場可編程門陣列(FPGA)執行低級控制算法，并提供外設以連接至驅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，伺服驅動器必須滿足的要求也在迅速變化。網絡通信、功能安全、預測性維護和可編程邏

25、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處理器（例如TI的Sitara 處理器）來滿足工業4.0應用的大部分（甚至全部）處理需求。性能在伺服電機驅動應用中，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運行，并為下游回路提供輸入參考。圖1 顯示了典型的級聯控制拓撲。圖1中的模塊非常適合用于跨異構處理器內核或在處理器與微控制器之間

26、進行邏輯分區。在多核處理器的不同內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。當處理器內核接收到其控制回路輸入數據時，它可以盡快運行算法以使其完成，為下游回路提供參考值，然后繼續提供其他服務，直到準備好下一組輸入數據為止。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31.25s時，或必須幾乎同時處理來自多個軸的輸入時，快速處理至關重要。第2章：機器人系統控制器Position(1 kHz to 4 kHz 1 ms to 250 s)Speed/velocity(2 kHz to 8 kHz 500 s

27、to 125 s)Torque/current(8 kHz to 32 kHz 125 s to 31.25 s)AnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)Speedx3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMS

28、MSpeedloop圖1.典型的伺服電機控制回路技術.工業機器人設計工程師指南 10 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器對于伺服控制的嚴格實時處理要求，有幾種選擇，包括數字信號處理器(DSP)、FPGA和標準Arm處理內核。選擇合適的處理內核可能很困難，因為需要在靈活性與優化控制算法之間保持平衡。過去，優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?，F在，由于需要向伺服驅動器添加工業4.0服務，因此開始采用標準的ArmCortex-A和Cortex-R內核。Cortex-A內核可以實現非常高的帶寬，這對于快速處理非常有用，但

29、這種內核缺少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，例如網絡或預測性維護。幸運的是，諸如SitaraAM6x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所有必要的元素。工業通信工業4.0給工廠帶來了許多令人振奮的新事物，但工業伺服驅動器行業中最引人注目的現象之一是多協議工業以太網的迅速應用。市場上存在著針對工業以太網、現場總線和位置編碼器的十多種不同通信協議，每種都有其優缺點。EtherCAT、PROFINET和EtherNet/Industr

30、ialProtocol(IP)是伺服驅動器市場中最受歡迎的基于以太網的協議，而HiperfaceDigitalServoLink、EnDat2.2和BidirectionalInterfaceforSerial/SynchronousC則是最受歡迎的位置編碼器協議。這些協議中的許多協議都有ASIC可以附加到主機處理器上以支持該特定通信協議。在某些情況下，采用多芯片解決方案時，協議棧在主機處理器上運行，而ASIC執行媒體訪問控制層。僅計劃支持單個協議的制造商更喜歡這種分布式體系結構，因為ASIC通常針對該特定通信標準進行了優化。一旦出現了支持多種協議的需求，多芯片解決方案便會由于多種原因而失去吸

31、引力。每種新協議都要求您熟悉新器件（這會增加開發工作量和成本）。對于每種不同的協議，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議支持能力集成到主機處理器中，有助于節省成本、縮減布板空間和減少開發工作量，同時還可以最小化外部組件與主機之間通信的相關延遲。支持多種標準的單一平臺使您能夠為最終產品的不同版本維護一塊單板。如果需要使產品適應未來需求，還必須考慮對于時間敏感網絡(TSN)的支持需求。選擇用于工業通信的平臺必須足夠靈活，能夠適應不斷發展的TSN標準，否則一旦最終確定標準，便有可能面臨過時風險。SitaraAM6x處理器系列通過其靈活的可編程實時單元-工業

32、通信子系統(PRU-ICSS)提供了一種解決方案，支持千兆位TSN以及傳統的100Mbps協議（例如EtherCAT）。功能安全自主機器決策與操作的發展趨勢以及在潛在危險工廠環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（包括伺服驅動器）而言越來越重要。有關功能安全標準以及Sitara處理器如何在工業環境中發揮作用的詳細說明，請閱讀白皮書工業 4.0 中的功能安全狀態。工業機器人設計工程師指南 11 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器系統分區伺服驅動器中的級聯控制回路通?？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

33、謂的“熱側”和“冷側”。熱側最靠近電機，并包括向電機供電的高壓組件。冷側在隔離的另一側，通常容納控制單元?？绺綦x邊界劃分系統時，電機驅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顯示了伺服驅動器一些可能的分區。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(SoC)被隔離邊界隔開。這種架構的好處在于，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?？刂苹芈吩趦蓚€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

34、的脈寬調制器(PWM)。這種架構的好處在于，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熱側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冷側的C2000微控制器或FPGA。ReinforcedisolationboundarySitaraAnalog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control b

35、oard(low voltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMSMSpeedloopReinforcedisolationboundarySitaraAggregator(C2000/FPG

36、A)Analog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control board(low voltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfacePositionandspeedloopIndustrialcomms(positio

37、n/speed/torque reference)PWMunitDataaggregatorPMSMTorque/currentloopFOC工業機器人設計工程師指南 12 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器在圖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的單個SoC中。這種架構可通過集成節省更多成本，并消除SoC之間接口的相關延遲。解決方案Sitara處理器系列的SoC可滿足從獨立工業通信模塊到本章所討論系統分區的全功能多軸伺服驅動器的所有需求。圖 5顯示了使用Sitara、Hercules和C2000 微控制器系列中的不同處

38、理器可以實現的解決方案。SitaraAMIC處理器包含PRU-ICSS子系統，并已針對獨立的多協議工業通信模塊進行了優化。Sitara系列的其余產品集成了PRU-ICSS子系統以及其他內核和外設以實現控制和通信。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。結論工業4.0引入了伺服驅動器的新準則和系統要求，因此，設計人員選擇適合當前和未來伺服驅動器需求的解決方案非常重要。SitaraAM65處理器之類的器件同時包含Cortex-A和Cortex-R內核并支持100Mbps和1Gbps工業聯網功

39、能，能夠滿足現有和未來伺服驅動器的需求。TI還提供多種產品，包括其他Sitara處理器和C2000微控制器，旨在滿足工業市場不斷變化的需求。TI 的伺服驅動器產品SitaraAMIC110 ProcessorPructGroup NameProduct No.SitaraAM335x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM437x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM57x ProcessorsPructGroup NameProduct No.SitaraAM6x Arm Processor

40、sPructGroup NameProduct No.HerculesMCUPructGroup NameProduct No.C2000 F2837xDelfinoMCUPructGroup NameProduct No.C2000 F28004xPiccoloMCUPructGroup NameProduct No.產品 AMC110 處理器AM335x處理器AM437x 處理器AM57x 處理器AM6x Arm 處理器HerculesMCUC2000 F2837x Delfino MCUC2000 F28004x Piccolo MCU安全集成的功能安全特性4 4 4 4 工業 4.0

41、服務時間敏感型網絡(TSN)4集成安全特性4 4 4 4 4 4 預測維修4 4 4 4 4 4 控制高速串行接口4 4 4 4 集成伺服電機控制4 4 4 4 通信工業以太網 多協議多協議多協議多協議多協議EtherCAT圖4.使用Sitara處理器在冷側實現完全伺服控制。ReinforcedisolationboundarySitaraC2000/FPGAAnalog front endAnglesensorAngleAnglePositionfeedbackVoltagefeedbackCurrentfeedback(x2-3)SpeedDrive control board(low v

42、oltage/low noise)Power stage board(s)(high voltage/high noise)x3PWM(x3)VDC/PWM(x3)IA,IB,IC,VDCVA,VB,VCAnglefeedbackinterfaceADCinterfaceSpeedloopPositionloopIndustrialcomms(position/speed/torque reference)PWMunitTorque/currentloopFOCPMSM圖5.適用于伺服驅動器的TI處理產品。工業機器人設計工程師指南 13 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系

43、統控制器2.2機器人系統的伺服驅動器2.2.1隔離式柵極驅動器的影響隨著全球范圍內信息交換和城市化的發展，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據中心、電信基站、工業自動化、電機驅動器和電網基礎設施。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選擇。例如，數據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功率密度的同時加快開關速度。另一方面，工業自動化和電機驅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

44、管(IGBT)。諸如光伏逆變器之類的電網基礎設施設備可以根據逆變器類型和功率水平來靈活選擇任何電源開關。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尺寸并降低成本。一種主要趨勢是將柵極驅動器與稱為隔離式柵極驅動器的隔離器（執行隔離功能的器件）集成在一起。這種逐漸形成的主要趨勢使得這些系統級特性極具吸引力。本電子書的這一節涵蓋兩個方面。第一個方面是了解隔離式柵極驅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中使

45、用隔離式驅動器的要求。為何使用隔離式柵極驅動器？數據中心應用 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?？纯瓷缃幻襟w、訊息或電子郵件中有些什么內容。所有這一切都在云中發生。這種云是全球實時連接的主力軍。云實際上位于數據中心內。與數據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。數據中心內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（數百伏范圍的交流線路電壓）。因此，它們被稱為高

46、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)，隔離器件允許數據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電流從電網中流出。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

47、電位差提供保護的一種隔離方法。工業機器人設計工程師指南 14 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器這種電力需求每天都在持續增加。不僅如此，人們希望立即收到這些信息。這意味著，隨著數據需求的增加，數據中心的容量也在與日俱增；因此，電力輸送系統需要提供越來越多的電力。但是，數據中心的機房空間有限。擴大機房空間的成本高昂，非常不經濟。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。通過將隔離器與關鍵電源組件（即高速柵極驅動器）集成在一起，可以實現隔離可靠

48、性。這種集成器件便是大家所知道的隔離式柵極驅動器。柵極驅動器功能 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動器。柵極驅動器在采用開關模式電源的系統中實現，其中的電源開關在 ON 和 OFF 模式下工作，因此理論上在高開關頻率下具有零功耗。兩種常用的電源開關是功率 MOSFET和IGBT。開關模式電源在基于控制器的閉環電源拓撲中運行。對ON/OFF狀態的控制在這些開關的柵極上進行，旨在調節電壓和通過開關的電流。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.控制電源開關中的柵極端子。首先，柵極(GATE)端子控制MOSFET的ON/OFF狀態。VGS表

49、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.要關閉(OFF)，請降低VGS5kW)光伏逆變器等應用的開關頻率范圍為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動器側電源電壓，從而確保您的設計能夠耐受這些應用中的惡劣環境。隔離式柵極驅動器的一個獨特參數是CMTI；在較高開關頻率下運行系統時必須考慮這一參數。CMTI表示柵極驅動器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動器可用于高開關頻率應用中。而且，隨著諸如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)等寬帶隙開關

50、的出現，CMTI正在成為隔離式柵極驅動器可能最重要的參數。尤其是，SiCMOSFET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、高功率應用中產生了各種節能、可靠且緊湊的系統。隨著電動汽車和可再生能源電力系統的出現，這些應用越來越引起人們的關注，進而使得SiC的柵極驅動器要求非常關鍵。TI擁有一個隔離式柵極驅動器系列UCC217x，其具有用于SiCMOSFET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，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、快速的數據速度和高密度封裝。這源于TI的電容隔離層和具有極高介電強度的絕緣體(SiO2)

51、。每個電容隔離層都使用我們的TI專有技術構建而成，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保護。表2 比較了 MOSFET 和 IGBT 隔離式柵極驅動器，并總結了前面所述的差異。表2.MOSFET和IGBT隔離式柵極驅動器的比較.電源開關MOSFETIGBT開關頻率高(20kHz)中低(5kHz-20kHz)通道數量單通道和雙通道單通道具有保護特性無有-去飽和，米勒鉗位VDD 最大值（電源電壓）20V30VVDD 范圍0V 至 20V-10V 至 20V工作電壓 VDD10V 至 12V12

52、V 至 15VUVLO8V12VCMTI50 至 100V/ns50V/nx傳播延遲越小越好(650V典型應用電源：服務器、數據通信、電信、工廠自動化、車載和非車載充電器、太陽能微伏逆變器和串式逆變器(3kW)、汽車牽引逆變器工業機器人設計工程師指南 17 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器總結 在電源、光伏逆變器和混合動力汽車/電動汽車直流/直流轉換器等電源管理應用中，高功率密度和穩健性變得越來越重要。隨著功率水平的提高，對HMI和智能系統的保護非常重要。因此，隔離式柵極驅動器正成為這些應用的首選解決方案。本節將隔離式柵極驅動器的價值與傳統變壓器方法進行了比較。

53、我們以這種驅動器作為電源開關和應用的一部分為例，強調并說明了這種驅動器的關鍵要求。TI為這些電源開關提供了多款隔離式柵極驅動器。這些產品包括可用于多種應用（例如電源、電機驅動器、光伏逆變器和汽車電氣化系統等）的隔離式柵極驅動器（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由于數據表中的高電平輸出電流(IOH)和低電平輸出電流(IOL)規格，柵極驅動器經常被混淆為連續電流源。例如，查看TIUCC5320SC的設計人員可能會看到“4.3A拉電流”和“4.

54、4A灌電流”參數，并錯誤地認為這些器件能夠連續提供這些電流。圖1.MOSFET開通時間間隔.柵極驅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IOH和IOL規格，必須查看器件內部的上拉和下拉結構。柵極驅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.柵極驅動器輸出級.在空載條件下，IOH取決于VCC2以及RNMOS與ROH的并聯組合，而IOL由VCC2和ROL設定。RNMOS幫助上拉結構輸送峰值電流，并在米勒

55、平臺區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從低電平變為高電平的狹窄瞬間開通N溝道MOSFET來實現的。將MOSFET和IGBT驅動為高電平時，外部柵極電阻器RON和晶體管的內部柵極電阻RGFET_Int會降低峰值輸出電流，如方程1所示：(1)同樣，峰值灌電流受制于外部柵極電阻器ROFF（與ROL和RGFET_int串聯），并由方程2確定：(2)VGSVTHIGVDSID1234OUTHLevelshifting and control logicUVLO2VCC2VEE2ROLRNMOSROHOUTLIOH=min 4.3A,VCC2RNMOS|ROH+RON+R

56、GFET _IntIOL=min 4.4A,VCC2ROL+ROFF+RGFET _Int工業機器人設計工程師指南 18 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器我們可以演示使用UCC5320SC隔離式單通道柵極驅動器和100nF容性負載來確定峰值驅動電流的不同方法。第一種方法根據方程1和2計算預期的峰值電流。在為系統選擇柵極驅動器時，可使用這些方程來估算峰值驅動電流。為了在將MOSFET或IGBT安裝到印刷電路板上之前對MOSFET或IGBT的驅動過程進行仿真，請選擇一個等效于開關輸入電容(CISS)的負載電容器。在驅動電壓條件下，從MOSFET或IGBT的數據表中查

57、找所需的柵極電荷來確定輸入電容。第二種方法使用CISS以及開關波形的瞬態電壓(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t（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，根據方程 3計算峰值電流：(3)第三種方法是在電容器和接地端之間插入一個0.1的感應電阻來計算IOH或IOL。圖4顯示了感應電阻器上的電壓波形(VSENSE)，其測量值與Vcap波形的最高dv/dt值一致。圖

58、4.串聯感應電阻器上的電壓.表1 列出了這三種方法的結果。即使與電容器串聯一個0.1的感應電阻器，方程1仍可估算出4.30A的拉電流。方程3使用在柵極驅動波形的線性區域中測得的最大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IOH為4.29A。理論與實測方法結果理論公式1:IOH=min(4.30A,4.44A)4.30A根據測量值計算公式3:IC=102nF(4.44=MV/s)4.53A根據測量值計算歐姆定律：IOH=438mV/102m4.29A表1.測量結果比較.第一種方法是選擇柵極驅動器時的良好起點，但您獲得的

59、不是實際的測量值。第二種方法依賴于使用固定t并掃過整個波形來精確測量最高dv/dt。最后，在0.1感應電阻器上測得的電壓將提供一個使用圖4和歐姆定律根據峰值驅動電流測量值計算得出的值。第三種測量方法的關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動器峰值輸出電流的可接受近似計算方法。重申一下，IOH和IOL不是連續直流值。峰值電流會在瞬間使CISS充電或放電，然后在開關開通時減小值。IC=Cdvdt工業機器人設計工程師指南 19 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器2.2.3帶UVLO和BJT圖騰柱的低側柵極驅動器柵極驅

60、動器已在越來越多的場合取代了雙極結型晶體管(BJT)圖騰柱來驅動低端應用中的電源開關。柵極驅動器具有許多內置的安全特性，可以消除分立式解決方案中缺少保護措施所帶來的風險。在驅動MOSFET和IGBT時，安全特性對于確?？深A測的開關和穩定的柵極驅動非常重要。讓我們比較一下UCC27517柵極驅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柵極驅動器具有重要的內置保護特性，可在電源未達到UVLO閾值時將驅動器的輸出端接地。圖1顯示了VGS的不同值在給定漏源電壓下對MOSFET的影響。紅色曲線的右側是飽和區域，該區域由恒定的漏源電流定義，取決于柵

61、源電壓而與漏源電壓無關。由于同時存在高漏極電流和高漏源電壓，該飽和區域的功率損耗可能很高。紅色曲線的左側是線性區域，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構成危險。UCC27517以及UCC系列中的其他低側驅動器通過其內置的UVLO來防止該下降，從而實現安全上電。圖1.MOSFET1至5的特性。為什么BJT圖騰柱不提供保護圖2 顯示了用于驅動 MOSFET 的 BJT 圖騰柱配置。圖2顯示的是一個典型的柵極驅動電路，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驅動器電源穩定之前，MOSFET可能會

62、同時經受高電壓和大電流?？稍谠撾娐分刑砑油獠縐VLO電路，但是這種添加會導致組件數量、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動電源開關的情況，但具有內置 UVLO（通常為 4.2V 且典型遲滯為 300mV）。當電源電壓達到UVLO時，驅動器的輸出隨VDD的升高而上升，直至達到穩定狀態為止。該解決方案還使用更少的組件，具有更小的尺寸，并可節省BOM成本。圖3.UCC27517原理圖.VGS=10 VVGS=9 VVGS=8 VVGS=7 VVGS=6 VVGS=5 VVGS=4 VDrain current vs d

63、rain source voltage for several values of VGSDrain current/ADrain to source voltage/VLinear region02468105101520253035402V/DVSaturation region50 50 15 V3.3 VFunctiongenerator1 nF100 100 50 Functiongenerator 15 V3.3 VUCC27517VDDOUTGNDIN+IN-工業機器人設計工程師指南 20 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器使用帶UVLO的UCC27

64、517來保護MOSFET和IBGT在3.3V啟動時，兩個柵極驅動器的熱性能存在顯著差異。UCC27517柵極驅動器會鉗制其輸出，從而防止開關以及其輸出端的場效應晶體管(FET)上出現漏源電壓降。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1VDS_BJT捕獲），而漏極電流則顯著上升（如通道3IDS_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

65、驅動器在3.3V上電時的波形.圖5 顯示了此事件的熱感圖像。在左側，UCC27517驅動MOSFET（使用其內置UVLO），通過將其輸出端接地來防止FET結過熱。在UVLO條件下，無論輸入如何，驅動器的輸出端都會保持接地。但是，在右側，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，從而實現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過熱來解決其內部UVLO的這一問題。由于在上電和斷電期間會在MOSFET結處產生過多的功耗并可能損壞FET，因此該特性至關重要。圖5.

66、UCC27517驅動的MOSFET（左）和BJT驅動的MOSFET（右）在3.3V上電時的熱感圖像.內部UVLO保護不僅限于UCC27517柵極驅動器，還擴展到了UCC低側柵極驅動器系列中的其他器件。2.2.4適用于柵極驅動器的外部柵極電阻器設計指南外部柵極驅動電阻器在限制柵極驅動路徑中的噪聲和振鈴方面發揮著至關重要的作用。如果沒有尺寸合適的柵極電阻器，寄生電感和電容、高瞬態電壓(dv/dt)和瞬態電流(di/dt)以及體二極管反向恢復可能導致不良行為。圖1顯示了柵極驅動路徑中的常見元件：柵極驅動器的內部電阻、外部柵極電阻以及MOSFET或IGBT。RGATE是唯一調整柵極驅動波形的組件。圖1

67、.柵極驅動元素.VDS,offIDDSGCDSCGDCGSRGATERHIVDRVRLORG,I工業機器人設計工程師指南 21 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器圖2 顯示了寄生電感及其對由較長布線長度和不良 PCB 設計產生的柵極驅動波形的影響。圖2.開關原理.寄生電感和電容會在柵極驅動回路中引起振蕩，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電阻分量RG（RG=RHI或LO+RGATE+RG,I）。最佳的柵極電阻器選擇是高性能設計的關鍵。如果未經優化，小電阻值也會導致柵

68、極驅動電壓波形產生過沖，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時間，對于柵極驅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）之間的品質因數Q。如果品質因數大于0.5，則可以根據需要加快開通和關閉速度。首先記錄沒有外部電阻的柵極驅動振鈴。這便是方程1中使用的振鈴頻率fR：(1)MOSFET或IGBT數據表將提供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。從總串聯電阻中減去內部柵極驅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：(2)此處描述的方法是一個迭代過程，該過程從0的

69、外部柵極電阻開始，根據振鈴頻率、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動器提供了概念驗證。由15V電源驅動的兩個UCC5310MC柵極驅動器將驅動兩個100VCSD19536KCSMOSFET（典型的內部柵極電阻RG,I為1.4）。CSD19536KCSMOSFET較小的內部柵極電阻顯示了添加外部柵極電阻的效果。如果MOSFET或IGBT的內部柵極電阻足夠大，則可能不需要外部柵極電阻。在0時，柵源波形上會出現不必要的振鈴。CSD19536KCSMOSFET的內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=0.使用3.57MHz

70、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果值中減去串聯電阻元件阻值RG,I和RHI或LO。圖4（下一頁）演示了在柵極驅動路徑上添加7電阻器的效果（使波形嚴重衰減）。12323123VDRVVINVGS=VINLSLDRGATEVOUTFWD recovery andcurrent transferVIN+VGS,MillerMOSFETLS=1CISS(2fR)2Q=XLRG=LSRG工業機器人設計工程師指南 22 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器外部柵極電阻器的選擇將影響三個方面：驅動電流、柵極驅動器功耗以及上升和

71、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=7.如果添加優化的柵極電阻后，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。如果仍然出現過沖或下沖情況，請查看柵極驅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，但需要一個新的優化柵極電阻器來防止過沖。有關備選器件建議，請參閱表1。器件經優化的參數性能折衷UCC5350MC米勒鉗位功能可用由于較高的拉電流/灌電流，因此需要較大的柵極電阻UCC5320SC

72、分離輸出功能可用需要設計一種防止米勒電流感應導通的方法UCC5390EC提供以GND2為基準的UVLO2功能真正的UVLO2監測，但沒有分離輸出或米勒鉗位UCC21220配置為一個半橋或兩個低側驅動器使用雙通道時，很難將兩個晶體管布置在靠近每個輸出的位置表1.備選器件建議.從圖5所示的串聯RLC電路中減少振鈴的另一種方法是最大限度降低高側晶體管源極與低側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域內至關重要。必須將柵極驅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衡是柵極驅動設計的外部

73、柵極電阻元件如此重要的原因。2.2.5通過高側電機電流監測實現過流保護大功率精密電機系統通常需要詳細的反饋，例如速度、扭矩和位置。將此反饋發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）無需同等系統復雜度即可執行相關作業。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，因此用于實現動態控制和主動監測的更復雜電機控制系統能夠從中獲益。將電流感應放大器與直流電源串聯來驅動電機驅動電路的高側（如圖1 所示）可以測量流入電機的總電流并檢測

74、超出范圍的情況。要檢測微小的泄漏，還可以測量低側返回電流。高側和低側電流電平之間的差異表明在電機或電機控制電路內存在泄漏路徑。RGLSVDRVCISS工業機器人設計工程師指南 23 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器圖1.低側和高側電流檢測.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

75、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格是共模抑制。該規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電壓。監測較大的輸入范圍電平將按比例產生較大的測量誤差。例如，共模抑制規格為80dB的差分放大器或電流感應放大器會根據輸入電壓電平在測量結果中引入較大的失調電壓。共模抑制規格為80dB時，對于施加到輸入端的每伏特電壓，在測量中將相應產生額外的100V失調電壓

76、。許多器件具有規定的工作條件（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，除了器件數據表中指定的輸入失調電壓之外，48V的變化還會導致產生額外的4.8mV失調電壓。采用校準方案的應用受這種額外引入的失調電壓影響較小。不過，對于系統校準無法解決該失調電壓漂移的應用，必須選擇具有更佳共模電壓抑制規格的放大器。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最壞的共模抑制規格為120dB。120dB的共模抑制對

77、應于共模電壓每變化1V便額外產生1V的輸入失調電壓。溫度對放大器抑制共模電壓能力的影響在許多產品的數據表中都沒有詳細記錄，因此除了室溫規格之外，您還應對該影響進行評估。INA240在整個-40C至+125C的溫度范圍內可確保120dB共模抑制規格。圖2 顯示了 INA240 在整個溫度范圍內的典型共模抑制性能為 135dB（每變化 1V 產生的失調電壓小于 0.2V）。圖2.共模抑制與溫度間的關系.RSHUNTRSHUNTCommon-mode rejection vs temperature140135130125120115110105100-50-25 0 25 50 75 100 12

78、5 150Common-mode rejection(dB)Temperature(C)工業機器人設計工程師指南 24 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器系統控制器能夠根據電流反應放大器的測量結果來評估系統的總體運行情況。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發出警報，以便采取糾正措施。圖3 顯示了用于在測量驅動電機驅動電路的高電壓軌上的電流時監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轉換器；輸出信號也將發送到比較器以檢測過流事件。如果輸入電流電平超出

79、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.高側過流檢測.對過流檢測電路的一項關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/s的壓擺率使INA240能夠精確測量和放大輸入電流信號，并將輸出發送到高速比較器，因此可以在發生短路情況時在短短幾微秒內發出警報。該短暫的響應時間可確保系統中流過的意外過大電流不會損壞其他關鍵系統組件。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

80、抑制為90dB（即輸入每變化1V便產生31.6V的失調電壓）。表1 匯總了這些備選器件建議。器件經優化的參數性能折衷LMP8640HV封裝:SOT23-6,信號帶寬精度根據測量值計算VCM范圍：275VCMR，增益根據測量值計算板載比較器；35VVOSVCM:0V至36V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。如圖1 所

81、示，在三相電機驅動系統中有三種不同的電流測量方法：低側、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）驅動直流電機所需的傳統三相脈沖寬度調制(PWM)逆變器，同時圖1還包括高側電流感應（通常用于嚴重故障情況，例如接地短路）。RSHUNTRPULL-UPVCM=-4V to+80VSupplyGPIOREFController 工業機器人設計工程師指南 25 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器許多設計人員使用前兩種方法（低側、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

82、電壓。但是，僅僅因為存在可以通過低側或直流鏈路來感應相電流的產品，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。驅動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開關特性被從電源電壓驅動到接地端，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 逆變器產生的正弦相電流（紅色波形）的示波

83、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受快速開關信號。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。難怪大多數設計人員都使用低側感應！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，使輸出電壓趨穩的速度比傳統方法要快得多。當電流感應放大器檢測到快速轉換的輸入共模信號時，內部有源電路會將可能傳播到器件輸出端的干擾降至最低。VsupplyHigh sideInlineLow

84、sideDC linkFault detection:High sideMotor control choices:Low side DC link Inline圖1.三相電機驅動系統的各種電流感應方法.工業機器人設計工程師指南 26 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器減少這些干擾（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定狀態，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受從電源軌（例如VBATT=48V

85、）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定是一個主要缺點，特別是對于需要低占空比(10%)的系統，因為進行電流測量的時間縮短了（在業界通常稱為消隱時間）。直列式電流檢測.結合高共模輸入電壓，增強型PWM抑制有助于進行直列式電流監測。由于處于惡劣環境中，電流感應放大器必須具備穩健性。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?？赡芟姼綦x。增強型PWM抑制的另一個好處不易察覺，但

86、很重要。借助增強型PWM抑制，當電隔離并不屬于系統要求時，也許可以不使用隔離式電流感應器件。隔離式器件將對PWM信號流經感應電阻器時產生的噪聲進行去耦。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動系統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

87、，因此能夠為電機設計帶來諸多系統級好處。2.2.7如何保護控制系統免受熱損壞在許多控制系統中，工作溫度是影響系統性能、可靠性和安全性的眾多因素之一。了解溫度對控制系統的影響可以幫助系統設計人員預測和防止熱損壞。通常，控制系統在有限的溫度范圍內工作。但是，只要系統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，控制系統通常會出現效率降低、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的安全性和功能性產生負面影響，因為工作條件會受到諸如凝結之類的影響。這些影響加在一起可能導致代價高昂的故障。VBATTVBATTOVInputCommon-ModeVoltage Signa

88、lOutputVoltage SignalExpected waveformper phase工業機器人設計工程師指南 27 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器有許多分立式或集成式解決方案旨在保護控制系統免受熱損壞。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。圖2 顯示了溫度開關行為的示例。在此示例中，跳閘點設置為60C，遲滯為10C。圖2.帶有遲滯的溫度開關跳閘行為示例.有些應用需要熱保護和監測功能，因此還需要模數轉換器（請參閱圖3）。圖3.溫度監測器

89、和開關的分立式實施示例。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、資質認證（如汽車或美國保險商實驗室）、輸出類型、通道數和電源電壓范圍。分立式解決方案使用負溫度系數(NTC)熱敏電阻進行溫度開關的分立式實施很常見，因為這些器件的運用已經很廣泛。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性且成本高昂。設計分立式熱保護解決方案時的一些挑戰包括精度、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

90、跳閘點，但這些組件會增加系統成本。校準在基于硬件的開關應用中不實用。分立式實施方式需要多個組件協同工作，因此可能降低系統可靠性。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。VTRIPVREFVTEMPRBIASR1R2RTMP61+-OUTVST(TRIP)60C50CADCSignalconditioningThermistorLow passfilteringVref1+-Comparator forover tempprotectionVref2CalibrationpointOTMCU+-+-工業機器人設計工程師指南 28 2Q 2020 I

91、德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器集成電路解決方案：溫度開關/恒溫器另一種用于控制系統的熱保護解決方案是使用集成式溫度開關/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。這些傳感器的主要優點如下：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冗余。TI可提供廣泛的溫度

92、開關和熱敏電阻產品系列，例如TMP302、TMP390和TMP61，如圖4所示。TMP302采用小外形晶體管-563封裝(1.6mmx1.2mm)。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15A）且簡單易用。TMP302在-40C至125C的溫度范圍內無需任何校準即可實現2C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境溫度或電路板溫度至關重要。與任何物理板設計一樣，環境因素會嚴重影響系統性能。為避免泄漏和腐蝕，系統必須保持絕緣和干燥。如果系統在可能發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

93、接。BiasTemperaturethreshold andhysteresisComparatorAlertTemperaturesensorOUTTRIPSET0TRIPSET1HYSTSETGROUNDVS圖4.引腳可編程IC溫度開關框圖.工業機器人設計工程師指南 29 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器2.2.8高精度電機驅動控制如何推動工業發展想象汽車制造廠中的一個機器人。它拾起一個發動機缸體，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，能夠更加持續穩定地將物品移動到特定的位置，并且能

94、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的支柱，其使用在持續增長。但如果沒有精確的電機驅動控制，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（旋轉力），機器人的控制器使用它們沿著不同的軸協調運動，從而實現精確的定位。在機器人釋放汽車發動機之后，電機會減小扭矩，同時將機械臂返回到其初始位置。正如電機驅動控制能夠促進機器人和其他領域發展一樣，電機控制本身依賴于電子技術的發展，該技術能夠在實時運行期間實現精確的控制。高端電源、智能電機驅動器、高性能控

95、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開發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的集成電路(IC)產品，從而使他們能夠開發各個行業需要的且精度要求不斷提高的電機驅動控制。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設計，同時提高其產品的性能。電機控制的優點電子控制的電機驅動所實現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。驅動控制可確保轉子相對于分流器保持穩定的位置，以便電機輸出更可預測并且電力使用更高效。當電機

96、上的負載發生變化時，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部的驅動速度成為可能，而無需依賴昂貴的齒輪、皮帶和皮帶輪來輸出不同的速度?？刂剖共竭M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進行更佳調節的受控電機，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行后續步驟的其他系統協同工作。傳送帶通常以穩定不變的速度向前運行，但操作有時可能需要改變速度、停止或短暫調轉方向

97、。這些移動與傳送帶上零件數量和重量的持續變化一起需要受控的電機驅動，從而能夠自動調節輸出?？赡苓€需要電機之間的協調，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，而且在現代制造環境中發揮著至關重要的作用。工業機器人設計工程師指南 30 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器精確受控的電機還可以實現全新的制造能力。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合在一起。早期的移動發動機缸體的機器人示例說明

98、了強度，而其他示例強調移動的精度或速度。例如，取放機器人重復執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，現在正隨著該趨勢進行全新的開發。盡管安全問題通常與系統運行和員工過程相關，但它們還包括內部控制電子產品，這些電子產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 精確電機控制的許多類型的電機都用于特定的任務，但大多數工業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的典型

99、控制電子產品的方框圖。交流電源輸入被整流為直流電。脈寬調制(PWM)開關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、數字化并發送到數字處理器(如微控制器MCU、微處理器MPU處理器或現場可編程門陣列FPGA）的電流反饋。數字處理器中的高速數字信號處理算法實時決定變化的條件是否使調節所提供的功率變得有必要。處理器向三相逆變器發送具有PWM的控制輸出，以選通電源開關并調節到繞組的功率輸出，從而使電機提供更大或更小的扭矩或速度?？梢詫⑵渌袘獢祿佀偷娇刂破髦?，以跟蹤系統輸入電壓和溫度變化。所有這些組件都需要具有高水

100、平的性能才能實現精確的電機控制。用于為控制系統供電的開關模式電源(SMPS)必須具有以穩定的高分辨率控制的超高速開關功能。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，設計用于控制系統的高性能電源變得容易得多。AC motor driveEncoderIsolated currentand voltage senseIsolated IGBTgate driversIGBT moduleControl modulePInput powersupplyRectifier dio

101、desDC+DC-PWM signalsCommunication Bus,RS-485,CAN,EthernetDrive outputM圖1.三相交流感應電機控制。工業機器人設計工程師指南 31 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器精確的電機控制還需要進行實時的極高速計算，具有數字信號處理器(DSP)功能的MCU可以最佳地提供該計算。DSP還能夠執行數字濾波和其他功能，以幫助保護系統免受功率瞬態和其他信號缺陷的影響，同時減少對執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

102、業電機需要即時響應和精度以及數字信號控制MCU提供的編程靈活性和高級算法。電機控制系統面臨的最大挑戰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字化。不過，數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。用于時鐘和數據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生信號漂移，則可能導致數據錯誤。使用高級信號調制器的

103、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整對這些變化進行了補償。這些相同類型的動態調整對于實現精密機器人取放移動而言可能是必要的，以進行穩定的微米級測量，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品以在各種條件下穩定地實現精確運行就變得更加重要。電機驅動控制的使能技術T

104、I提供必要的支持技術以用于設計可在當今集成式制造環境中高效運行的精確電機控制和可靠驅動器電子產品。該公司的解決方案包括隔離式和非隔離式開關柵極驅動器、反饋信號轉換和用于實時控制的高速處理以及可編程時鐘發生器和直流/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)柵極驅動器和包含GaN開關和柵極驅動器的模塊。對于較低電壓三相逆變器，TI還提供高性能智能柵極驅動器、具有內置FET的驅動器和具有集成控制功能的驅動器，它們可實現簡化但精確的控制和極短的開發時間。產品包含滿足工業規范的增強型隔離等安全特性，并經過測試，符合在惡劣工業環境中使用的標準。在TI針對電機控制

105、推出的新近創新中，最重要的當屬AMC1306隔離式-調制器，該器件可將來自電流和其他傳感器的信號進行數字化，并輸出組合的數據和時鐘信號，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，從而以最小的尺寸實現增強型隔離。傳感器輸出電平變化的-模數轉換后跟到數據流中的時鐘頻率曼徹斯特編碼，如圖2所示（下一頁）。工業機器人設計工程師指南 32 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器這樣就可以實現高度穩定可靠的信號，可極大地減少在工作溫度變化時可能發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的設計和布線。時鐘嵌入在數據流中的曼徹斯特編碼為了幫助

106、實現AMC1306調制器，TI創建了具有小型-調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，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，以實現安全性。AMC1306三角形內的省略號以及UCC5320和UCC23513絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關驅動器（這些開關驅動器也采用了TI的集成式電容隔離技術）內的紅色虛線表示具體的增強型隔離點。圖2顯示了使用TMS320F28379DDelfino32位浮點MCU(屬于TI

107、的C2000MCU系列，專為高性能計算和輕松編程而設計）及用于控制系統的外設集的控制處理。支持各種電機類型的C2000DesignDRIVE軟件平臺可幫助加快算法開發和系統實現。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的算法、工具和參考設計。TI的DSP和模擬專業知識融合在綜合解決方案中，這些解決方案可以在開發者設計高級電機驅動控制時為他們節省時間。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的不斷發展。這些進展正在帶來更高水平的集成自動化和數據交換，稱之為第四次工業革命或工業 4.0。精確受

108、控的電機為工業4.0作出了重要的貢獻，因為它們幾乎驅動工業機器的所有運動。TI的先進技術在實現高分辨率電機控制方面發揮著重要的作用，它將繼續幫助制造商將電機和運行控制提升到更高的水平。圖2.具有小型-調制器的增強型隔離式相位電流感應參考設計.SD-D3TMS320F28x7xDC linkRSHUNTSD-C3SD-D4SD-C4L1L3L2RSHUNTRSHUNT3.3 VDOUTCLKINDVDDDGNDAGNDAINNAINPAVDDAMC1306Mx3.3 V3.3 VDVDDDGNDAGNDAINNAINPAVDDAMC1306Mx3.3 V3.3 VDVDDDGNDAGNDAINN

109、AINPAVDDAMC1306Mx3.3 V3.3 VDVDDDGNDAGNDAINNAINPAVDDAMC1306Mx3.3 VPower boardMotorControl boardPWMxDOUTCLKINDOUTCLKINDOUTCLKINSD-D1SD-C1SD-D2SD-C2CDCLVC1104工業機器人設計工程師指南 33 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器2.2.9在整個溫度范圍內發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，可以降低系統總成本。這包括優化場效應晶體管、開關節點和控制算法。在設計過程中，需要保護系

110、統免受過熱問題的影響。如果系統達到一定溫度水平，則印刷電路板(PCB)上的組件將超出其規格范圍，因此可能會損壞組件并導致驅動系統發生故障。溫度傳感器可以監測并保護功率級組件，使驅動系統保持在安全工作區域(SOA)內。SOA是為某個系統定義的工作溫度范圍，表示該系統在特定視在負載或均方根(RMS)電流下處于驅動器可以支持而無需額外冷卻功能的階段中。工業設備的溫度范圍通常為-40C至85C的環境溫度。圖1顯示了通過適用于伺服驅動器且具有智能柵極驅動器的 48V/500W 三相逆變器參考設計生成的SOA曲線。該曲線是根據熱像儀測試和10ARMS效率測量結果得出的。在假定零溫度誤差的情況下，可將該曲線

111、用作負溫度系數(NTC)熱敏電阻和TITMP235A2傳感器的參考。SOA的差異是傳感器溫度誤差的結果，表明需要安全裕度以確保在驅動器的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性能？圖1顯示了溫度誤差對于環境溫度下RMS電流的影響，其中假設NTC的誤差為3.9C且TMP235A2的誤差為2.0C。借助于最大相電流與環境溫度關系的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果得出的。圖2.使用不同溫度傳感器在85C時可用的

112、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動器功率級模塊系統潛在功耗用量的4%或8%。如果功率級需要支持500W（顯然可以實現，如圖1所示），但您選擇使用NTC，則需要為系統增加額外的冷卻功能以支持系統的整個溫度范圍，或者重新設計系統以提高效率。Ambient temperature(C)Phase current(ARMS)90888684828078767472708 8.5 9 9.5 10NTCTMP235A2IdealMaximum apparent load at 85

113、C ambient(W)Measurement error(C)5505405305205105004904804704604500 2.0 3.9IdealTMP235NTCPower reduction:4%8%Safety marginMaximum power工業機器人設計工程師指南 34 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器為確保僅在建議的溫度下使用功率級，溫度傳感器將監測溫度，并在過熱情況下關閉功率級。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

114、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轉換器(ADC)誤差，因為TMP235A2和負溫度系數熱敏電阻(NTC)都在傳遞模擬信號。ADC誤差將對兩個信號產生同等影響，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果的難度。像TMP235這樣的硅溫度傳感器可在整個溫度范圍內保持線性，因此更容易補償誤差。TMP117之類的數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。當系統在85C的環境溫度下運行時，由于IC的自發熱作用，PCB和IC的實

115、際工作溫度會更高。典型的工業級IC具有125C或更高的工作溫度。當環境溫度為85C時，IC的自發熱只能將IC的溫度最多升高40C。如果IC升到更高溫度，IC將超出工作溫度范圍。有關自發熱的更多詳細信息，請參閱：設計指南：適用于伺服驅動器且采用智能柵極驅動器的 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，需要確保系統溫度不超過125C。在智能柵極驅動器參考設計中，熱像儀可測量溫度。在實際系統中，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

116、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閉系統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的視在負載能力，甚至無需查看柵極驅動器、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動器參考設計為例，比較NTC熱敏電阻與TMP235A2IC溫度傳感器的溫度誤差。首先，您如何量化溫度誤差？在TMP235A2的數據表中可以看到，其在整個溫度范圍內的溫度誤差為2C。數據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

117、誤差要花費更多時間。數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?？梢栽贜TC數據表或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TMP6131參數仿真器中所示。工業機器人設計工程師指南 35 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器與查找表相反，TMP6131系統參數仿真器可以仿真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果。圖2中的藍色曲線定義了溫度誤差。使用的區間為-40C至+125C?？梢钥吹?，最大負誤差和正誤差分別為-3.6C和+4.3C。為了便于計算，我們將此溫度誤差范圍標準化為NTC的3

118、.9C。由于NTC在整個溫度范圍內的非線性特征，因此應在系統的額定溫度范圍內進行補償。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，因此也會影響系統效率。查找表需要處理器內存。仿真中不考慮校準誤差，但會對兩個傳感器的影響類似。本章節將NTC精度誤差定義為3.9C，將TMP235A2誤差定義為2C，討論了這些誤差如何轉化為功率級總視在功率的降

119、額，并解釋了溫度傳感器誤差對功率級系統性能的影響。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或低壓直流饋電型電機系統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?！睕]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

120、以滿足這位虛構（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動器且具有智能柵極驅動器的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。圖3.使用TMP6131系統參數仿真器計算NTC的溫度誤差.Temperature calculationsParametersPTC1 PartNum:Divider topoloty:Linearization Order:TMP6131Bottom4-4012530100001100degCdegCV%pmm/CParametersMin temperatureMax t

121、emperatureVCC:VCC tolerance:Rbias:Rbias tolerance:Rbias TCR:ValueUnitNotesSelect TMP613x device,10/1%Select thermistor position in voltage dividerSelect output polynomial fit orderNotesMinimum operating temperatureMaximum operating temperatureDivider bias coltage,typical is 3VUse 0%for ratiometric m

122、odeNominal bias resistor value,default is 10 k Typical tolerance is 1%Bias resistor tempco,typical is 100ppm/CTemperature error(C)Temperature(C)Temperature error Divider circuit parameter input6420-2-4-6-8Show NTCShow TMP6Calibrate at 25CNTC temp errminNTC temp errmaxTMP6 temp errminTMP6 temp errmax

123、TMP6-System Parameter Simulator-50 0 50 100 150工業機器人設計工程師指南 36 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器Diagnostics/monitoringGate driversupplyDC link(24-V to 100-V DC)Non-isolated DC/DC power supplyHolding brake power stageRegen brake power stageIsolationSafetorqueoff inputHigh-sidesmart switchDC/DCFETREFPW

124、McontrollerIsolated DC/DC main24 V&other rails24 VAUXEFuseOringcontrollerFETInput powerprotectionDC/DCPMICLDOSupervisorsequencerMultiple railsCLK distributionClockingCANEthernetIsolationRS485CMOSLVDSWired interfaceConnection tocontrol moduleDigital processingMCUASICFPGAAmpREFCompDC link current&volt

125、age sensePWM&FLTBrakecontrolTempsenseBrakecontrolDC linkNon-isolatedgate driverBrakeresistorHoldingbrakeFETsTempsensorNon-isolatedintegrateddrivers/half bridgedriversLogicgates3-phase power stageGate driver supplyTemp monitoringLDOADCAmpAmpREFCompISO deltasigmaFluxgate/hallMotor current&voltage sens

126、eSignalconditioningIsolationHigh-/low-sideswitchDC/DCIsolationSwitch/LDOFAN power stageFanCompAmpACmotor這個適用于伺服驅動器且具有智能柵極驅動器的 48V/500W 三相逆變器參考設計使用高度集成的電路實現了小尺寸；集成電路中包括三個半橋柵極驅動器，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制配置錯誤所引起的擊穿。典型低壓直流饋電伺服驅動器功率級的分區可類似于圖1（其基于直流饋電伺服驅動

127、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動器涵蓋的模塊對系統性能有很大影響，并會影響設計注意事項?？梢韵虬霕驏艠O驅動器添加故障檢測功能來實現VDS感應和軟關斷，由此構建一個穩健可靠的系統。這些集成特性使柵極驅動器系統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死區時間插入。因此，MCU不能提供錯誤的驅動信號，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.工業機器人設計工程師指南 37 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器為了構建穩健可靠的系統，需要考慮的一個因素是優化效率以便降低散熱器和輻射發射（電磁干擾

128、）的成本而不是提高開關速度。使用100V單橋或半橋場效應晶體管(FET)柵極驅動器來實現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動器強度等參數的靈活性。在分析系統效率時，電流感應電路、具有低RDS(on)的FET以及用于提高開關速度的低柵極電荷會影響系統效率表現。系統設計人員通常希望實現99%的功率級效率。為了以最小的損耗實現連續的相電流感應，該參考設計使用了1m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是系統使用的寬共模電壓（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3

129、0ARMS）。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電壓的放大器可進一步幫助降低系統成本，同時確保高精度的電流測量。一個100VDC降壓穩壓器從直流輸入產生中間軌，為柵極驅動器和負載點供電。功率級需要高效運行以減少自發熱，從而滿足行業的工作環境溫度要求（通常為85C）。鑒于此要求，系統中使用的IC需要支持甚至更高的溫度，因為電子器件始終會出現一定的溫度增加情況（自加熱）。該伺服驅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

130、負載由握力計進行控制。結論該三相逆變器參考設計展示了如何設計具有低BOM數量、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節器的TIDRV8530100V三相智能柵極驅動器以及具有增強型脈寬調制抑制功能的INA24080V低側/高側雙向零漂移電流感應放大器（可以優化低壓直流饋電功率級）。圖2.電機驅動器功率級的測試設置.工業機器人設計工程師指南 38 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器2.2.11選擇用于三相電機驅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電機驅動器三相逆變器的性能產生重大影響?？梢酝ㄟ^

131、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、底部開關與接地端之間或者與電機的三相電源內聯（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換為模擬信號或數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制(PWM)周期中的理想分流電流與相電流。Powe

132、rGND22 or 3 Low-side shunts32 or 3 In-line motor shunts1DC-link single shuntVDCiDCiLS-WPWMW-LSV ,iW WuvwUp to 1200 V PWMW-LSPWM cycle,e.g.8 kHzVW30Ideal in-line shuntvoltage and currentiWIdeal in-line shunt voltage and current overone PWM period for phase W to motorVery high common-mode shunt voltag

133、e andcommon-mode transients,10 kV/sBottomPWMPWMU-LSV-LSPWMPWMW-LS1i=iDCUIdeal DC-link shunt current over one PWM period0Example:i-4 A=Ui-1AVi 5 AWi=+iDCWSample DC-link currenttwice to reconstruct the3-phase currentsIdeal shunt current,iDCPWM cycle,e.g.8 kHzBottom PWMPWMW-LS2Ideal current-sampling po

134、int(PWM center aligned)forinverted phase current0Almost zero common-mode shunt voltageIdeal low-side shunt current over one PWM periodIdeal low-sideshunt current,iLS-WExample:i=-4AUi=-1AVi=5AWPWM cycle,e.g.8 kHz=iiLS-WBottomPWMW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.工業機器人設計工程師指南 39 2Q 2020 I 德州儀器(

135、TI)第 2 章：機器人系統控制器從系統的角度來看，電機直列式分流器可提供重要的性能優勢，而從放大器的角度來看，低側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、輸入失調電壓和相關漂移都會對精度產生類似的影響?？紤]一個最大電壓為50mV（1

136、00mV滿量程輸入范圍）的分流器，并假設每個參數在工業溫度范圍內都不會造成超過0.1%的絕對誤差。放大器輸入失調電壓不能100V且失調電壓漂移必須1V/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，并非所有驅動器都要求如此高的精度和參數尺度。與增益誤差不同，失調電壓誤差通常更為關鍵，因為它會造成與電流大小無關的絕對誤差，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，在工業交流和伺服驅動器中用的較少。每個PWM周期中，必須在兩種不同的PWM開關狀態下測量

137、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執行測量，需要使用類似TIOPA835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10V/s)。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：低側分流器低側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

138、輸入共模電壓至關重要。為了在開關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.優勢挑戰精度直列式電機分流器 直接、連續的相電流感應。允許在一個PWM周期中均攤相電流，以獲得更高的精度及/或讓電流控制器能夠在每個PWM中運行兩次。檢測相間短路和相位與接地之間的短路。放大器需要使用具有高共模抑制比(CMRR)的高共模輸入電壓。交流線路饋送逆變器通常采用一種隔離方法。高低側分流 可檢測擊穿。較低的系統成本：由于共模輸入電壓幾乎為零，因此可以使用非隔離式電流感應放大器/運算放大器。間接、不連續的逆變相電流

139、感應。只能在低側開關打開時測量。無法在一個PWM周期中均攤和讓電流控制器在每個PWM中運行兩次。無法檢測相位與接地之間的短路。中直流鏈路單一分流器 可以與矢量控制和梯形控制配合使用。較低的系統成本：由于共模輸入電壓幾乎為零，因此可以使用非隔離式電流感應放大器/運算放大器。在每個PWM周期中，要求執行兩次與PWM模式同步的測量。要求每個激活的PWM模式達到最短持續時間，并采用PWM補償算法以確保達到最短持續時間。需要使用具有高帶寬和高壓擺率的放大器。低工業機器人設計工程師指南 40 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器中偏置為1.65V），以驅動ADC。放大器的關鍵參

140、數包括：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。失調電壓和失調電壓漂移，此參數可能不那么重要，因為可以在低側開關關閉時在每個PWM周期中測量失調電壓。帶寬和壓擺率，這兩個參數會影響最短穩定時間，此時間應小于低側開關的特定最短開通時間。當使用三個分流器時，用于實現極短低側打開時間的權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保持穩定，通常甚至要在一半的最短開通時間內保持穩定，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 TLV90

141、62）的示例穩定時間。TLV9062滿足這些規格要求并在單個8引腳封裝中提供雙放大器，因此，對于使用兩個低側相腳分流方法的系統，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成本而極具吸引力。主要的挑戰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

142、模抑制比(CMRR)，可精確測量電流，而不會在瞬變之后產生長恢復紋波。直流CMRR應至少為-100dB，輸出應在幾微秒內保持穩定。表3 概要介紹了 CMRR 的影響。用于在開關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1s（10%到90%）的過電流采樣。采用這種配置時，很難補償失調電壓和增益誤差，特別是在工作溫度范圍內。如前所述，失調電壓和失調電壓漂移對于逆變器的低電流性能至關重要，可接受的失

143、調電壓誤差取決于所需的電流測量精度。表2.穩定時間和放大器增益帶寬.表3.CMRR對精度的影響.運算放大器增益帶寬3.3V 時的最小壓擺率穩定到 1%的 建立時間建立時間至 3%10MHz20500kHz3Vs1.5s1.1s10MHz50200kHz1.2Vs3.7s2.7s參數值精度和 50mW 的功率注釋CMRR（直流）-120dB0.1%在48V共模時CMRR（交流）-90dB3.3%在0V到48V共模瞬態時，快速趨穩需要“PWM抑制”工業機器人設計工程師指南 41 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器圖3顯示了采用增強PWM抑制和48V三相GaN逆變器的電

144、流采樣放大器(INA240)的瞬態響應。借助高的直流和交流共模抑制，相電流可以在大約2.5s內趨穩。假設執行中心對齊的采樣，為了精確測量相應相電流而需要的最短PWM開通或關閉時間為5s。為了縮短開通/關閉時間，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-調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。由于工業電機驅動器需要滿足國際電工委員會(I

145、EC)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-調制器可用于此目的。隔離式-調制器圖4（下一頁）顯示了使用直列式分流器和隔離式-調制器執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。浮地分流電壓經過低通濾波、放大并饋送到二階-調制器中，隨后與輸出隔離。隔離式輸出是調制器時鐘頻率（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果。從系統的角度來看，隔離式-調制器應當提供：一個帶有抗混疊濾波器的增益放大器。50mV的輸入范圍與傳統的250mV范圍相比可以將

146、分流器損耗減少80%。非常低的增益、失調電壓和相關漂移對于精度至關重要，因為很難對它們進行補償。非常低并具有1V/C漂移的50V失調電壓可以在25C到85C的溫度范圍內實現小于0.11%的誤差。集成式抗混疊濾波器會將噪聲衰減到調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-調制器，以便能夠執行高精度、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制器可以簡化從處理器到所有三個調制器的時鐘路徑。寬范圍高側電源電壓和低電流消耗，最好使用集成式低壓降穩壓器（例如AMC1304），以便能夠使用浮動柵極驅

147、動電源。診斷功能，可檢測高側功率損耗，以免產生難以預料的測量結果?；净蛟鰪姼綦x，對電磁場具有高抗擾度并具有至少10kV/s的高共模瞬態抗擾度(CMTI)，可抑制開關節點瞬態?；パa金屬氧化物半導體或低電壓差分信號(LVDS)數字接口選件。在高噪聲環境中和對于長走線，LVDS可實現更高的共模噪聲抗擾度。3.3 V INA24012 to 60 V DCPWMrejectionVOUTVCMVREF/BIASVCM(50 V/div)VOUT(500 mV/div)Setup:INA240,Gain=20,Shunt=5 m,=I 10APhaseTime(2 s/div)Large common

148、-mode ACtransient from 0 V to 48 V at20 V/ns,attenuated to lessthan 150-mV peakImpulse noise coupled to scope-probe GNDVsettlesafter25 sOUT0-V to 48-V common-mode voltagewith transients,20 V/ns,at shunt工業機器人設計工程師指南 42 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器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

149、(ENOB)和建立時間會隨著sinc濾波器階數和過采樣率的增大而增加；參閱圖5。數字濾波器的優勢是可以在軟件中配置分辨率與帶寬和穩定時間的關系，并可以對同一個位流應用兩個或更多的濾波器。這一優勢有助于實現高分辨率相電流，以進行精確控制（例如使用sinc3濾波器實現的12ENOB和64次過采樣）和非?？斓倪^電流感應（例如使用sinc3濾波器實現的1.2s和8次過采樣）。圖4.采用隔離式-調制器且基于直列式分流器的相電流感應.DriverDriver/receiverClock1-Bitstream,uncoded orManchester coded dataFloating GNDIsolat

150、edGNDLVDS or CMOSinterfaceFloating GND3.3 V to 5 V Isolated delta-SigmamodulatorDC IPHASEDC+300 to1200 VDC643MCUwith SINCxdecimationfiltersLow-side supply3.3 V to 5 V modulatorGain&AA filter12LDOorZenerdiodeNote:Only one phase/half-bridge shownFloating gate-driversupply:+15 V Reinforced or basicisol

151、ation barrier5DiagnosticsSINCxOSRENOB(Bits)11010010000246810121416Fast overcurrent detection filterSinc,OSR=8,ENOB=5,Settling time=1.2 s3Sinc2Sinc1Sinc3Settling Time(s)ENOB(Bits)024681012141618200246810121416Sinc3Sinc2Sinc1High-resolution current filterSinc,OSR=64,ENOB=12.5,Settling time=9.6 s3Legen

152、d:圖5.20MHz調制器時鐘(AMC1306)的ENOB和過采樣率以及建立時間。工業機器人設計工程師指南 43 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器隔離式放大器圖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（顯示為紅色）與圖4中的隔離式-調制器相同。主要區別在于包含輸出濾波器（以藍色顯示的子系統）。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-調制器的特性也適用于隔離式放大器。但模擬帶寬和穩定時間由硬件固定，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?；诟綦x式放大器的相

153、電流感應系統具有三個轉換級：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。主要系統優勢在于，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。從系統性能的角度來看，隔離式-調制器系統非常出色。表4 提供了比較。結論TI為本文中介紹的每種系統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測試結果。Differentialto single-endedDiff

154、erentialanalog interfaceFloating GNDIsolatedGNDFloating GND3.3 V to 5 V Isolated amplifierIPHASEDC+300 to1200 VDC7SARADCsWindowcomparatorMCUwith 12-bitADCsLow-side supply3.3 to 5 VmodulatorGain&AA filterLDOorZenerdiodeNote:Only one phase/half-bridge shownFloating gate-driversupply:+15 V Reinforced o

155、r basicisolation barrier8Analoglow-passfilterOscillatorDC 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-調制器的比較.參數隔離式放大器隔離型-調制器分辨率/精度三個轉換級：系統分辨率也會受到通常12位的外部ADC的影響。單一模數轉換：可實現16位分辨率、14位精度，數字濾波器配置待定。請參閱圖5。帶寬/穩定時間固定.高性能放大器可提供300kHz的帶寬和不到3s的穩定時間。靈活.處理器上的數字濾波器待定。請參閱圖5。短路檢測需要使用額外的模擬硬件（窗口比較器）。無需使用額外的硬件；在處理器上計算出。處

156、理器的接口模擬差分接口：可輕松連接到任何嵌入了SARADC的MCU，但需要使用額外的放大器。CMOS或LVDS接口。需要使用性能更高并具有集成式-接口或現場可編程門陣列(FPGA)的MCU/微處理器單元(MPU)。EMC抗擾度中等，因為使用的是模擬差分輸出信號高到非常高，因為使用的是數字信號和LVDS接口選項。工業機器人設計工程師指南 44 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 2 章：機器人系統控制器2.3.1機器人系統中與伺服驅動相關的參考設計查找更多有關機器人系統控制器的參考設計。撰稿人：EddieEsparza、JasonReeder、MartinStaebler、Nagarajan

157、Sridhar、MateoBegue、MamadouDiallo、ScottHill、MannySoltero、HaraldParzuber、KristenMogensen和MartinStaebler。適用于伺服驅動器且具有智能柵極驅動器的 48V/500W 三相逆變器參考設計對于最高可驅動60VDC的緊湊型直流饋電驅動器而言，高效、保護和集成均為重要的設計因素。此參考設計展示了一款三相逆變器，其具有48VDC標稱輸入電壓和10ARMS輸出電流。適用于工業驅動器的基本隔離式三相緊湊型功率級參考設計該用于工業驅動器的三相緊湊型功率級參考設計使用支持基本電容隔離要求的UCC5350柵極驅動器，可

158、通過光耦合器提供更長的使用壽命和更佳的傳播延遲匹配，從而最大程度地減小逆變器死區失真和損耗。具有小型-調制器的增強型隔離式相位電流感應參考設計此參考設計采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)柵極驅動器以及隔離式電流/電壓傳感器實現了增強型隔離式三相逆變器子系統。AMC1306E25-調制器可執行精確的基于分流器的直列式電機相電流感應。適用于 200-480VAC 驅動器且具有光模擬輸入柵極驅動器的三相逆變器參考設計該參考設計采用隔離式IGBT柵極驅動器以及隔離式電流/電壓傳感器實現了增強型隔離式三相逆變器子系統。工業機器人設計工程師指南 45 2Q 2020 I 德州儀器(TI)3.1.1如何保護電

159、池的電源管理系統免受熱損壞如今，消費者希望其個人電子產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鉛酸-20C至50C-20C至50C鎳鎘，鎳氫0C至45C-20C至65C鋰離子電池0C至45C-20C至60C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10C至40C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的化學反應有關。如果充電速度太快，電池壓力會

160、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，電池溫度監測對于電池管理系統至關重要。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。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60C和0C，遲滯為10C。

161、圖2.溫度窗口比較器輸出行為示例.第3章：機械臂和驅動系統（機械手）VREFVTRIPVTEMPRBIASRTMP61R2R1+-TimeChanges hysteresisfrom 10C to 5CForces OUT pin high regardless of temperatureTH=60CTL=0CHYSTSET1HYSTSET0SOHOUT50C10C5CTime工業機器人設計工程師指南 46 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 3 章：機械臂和驅動系統（機械手）請注意，圖2中的設置輸出高電平(SOH)是一個系統診斷測試功能，通過該功能，您可以獨立于溫度將輸出強制為高電平。

162、TI可提供廣泛的溫度開關和熱敏電阻產品組合，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5A）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部比較器和兩個輸出的雙輸出溫度開關。TMP390采用相同的小型封裝，具有超低功耗（最大1A）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

163、變點配置為任何所需的溫度窗口，其中遲滯選項介于5C至30C之間。單獨的高低溫跳變輸出會產生獨立的警告信號，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生什么后果。鑒于電池保護電路通常位于電池組內部看不見的地方，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但不會消耗大量電流的集成電路。TI的

164、BQ77905系列電池保護器適用于三到五節及更多串聯電池，其有助于以較低的功耗為您的系統提供所需的保護。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

165、人中）。除了支持大電流消耗外，內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6A的BQ77905器件的用武之地。GNDTemperaturesensorABThresholdandhysteresisVDDIOVDDComparatorsOutputsSETARARBSETBOUTAOUTB工業機器人設計工程師指南 47 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 3 章：機械臂和驅動系統（機械手）圖1.BQ779053節至5節高級可堆疊低功耗電池保護器EVM。工業消費類應用通常包括由3節（小型電動工具或無人機）、4節（無人機）、5節（專業電動工具）、6節（工

166、業無人機）、7節（真空吸塵器）、10節（園藝工具或電鋸之類的大型電動工具）甚至20節電池組成的電池組。為了適應這些不同尺寸，創建一個通用的電池組設計平臺，消除了不同IC架構帶來的重新設計和再熟悉過程等相關工程成本。BQ77905還具有堆疊功能，可為設計提供靈活的電池節數。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數應用中非常有用，這類應用需要通過保持每節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數的可擴展方法，從而有助于管理總體

167、設計成本。保護永遠不應限制應用的功能。3.1.3機器人系統中與位置反饋相關的參考設計1-4 節串聯鋰離子電池組管理器參考設計此參考設計采用BQ40z50-R1電池組管理器，具有集成的電量監測和保護功能，可完全自主操作1節至4節鋰離子和鋰聚合物電池組。該架構可通過SMBus廣播命令在電量監測處理器與內部電池充電器控制器之間進行通信。用于絕對編碼器的高 EMC 抗擾度 RS-485 接口參考設計此高電磁兼容性(EMC)抗擾性參考設計展示了一種RS-485收發器，該收發器可與驅動器以及EnDat2.2、BiSS和Tamagawa等編碼器一起使用。EMC抗擾度（尤其是逆變器開關噪聲抗擾度）對于工業驅動

168、器中的位置編碼器反饋系統而言非常重要。查找更多有關機器人系統（機械手）的參考設計。撰稿人：Miguel Rios 和 Bryan Tristan工業機器人設計工程師指南 48 2Q 2020 I 德州儀器(TI)4.1機器人應用中的TI毫米波雷達傳感器當腦海中浮現機器人的形象時，您可能會聯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，機器人常以人們日常生活助手的形象示人。如今，人工智能技術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發展。隨著機器人技術的進步，互補傳感器技術也在

169、進步。就像人類的五官感覺一樣，通過將不同的傳感技術結合起來，可在將機器人系統部署到不斷變化、不受控制的環境中時取得最佳效果。機器人傳感器技術 機器人傳感器技術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。CMOS毫米波雷達傳感器可精確測量其視野范圍內物體的距離以及任何障礙物的相對速度。這些傳感技術各有優缺點，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勢是不受雨、塵、煙、

170、霧或霜等環境條件影響。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。第4章：傳感和視覺技術表1.傳感器技術比較。測量檢測范圍檢測角度距離分辨率可檢測信息惡劣天氣夜間作業檢測性能毫米波長窄、寬好速度、距離、角度好有強大、穩定攝像機中中中目標分類差無計算物體坐標復雜激光雷達長窄、寬好速度、距離、角度差無天氣惡劣時性能差超聲波短接寬好范圍好無短程應用工業機器人設計工程師指南 49 2

171、Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術檢測玻璃墻圖1 說明了玻璃墻和隔墻在現代建筑中的應用，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81GHzTI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

172、示軟件和可視化工具，圖3中顯示的結果明確證明了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?？赏ㄟ^測量機器人平臺上車輪或皮帶的轉動來獲得里程信息。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送線性調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

173、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（農用車輛的標準做法），都需要進行權衡。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，這在農業應用中是一個大問題。140 cm80 cmIWR1443 EVMGlass panelWall panel工業機器人設計工程師指南 50 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術圖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

174、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域周圍設置一個安全屏障或排除區域，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將機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的安全系統需要受控的照明，這會增加能耗、

175、產生熱量且需要維護。在塵土飛揚的制造環境（如紡織或地毯編織）中，需要經常清潔和觀察透鏡。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，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轉換器將射頻(RF)前端模擬數據轉換為數字表示形式。這種數字轉換的數據需要高速外部數據總線，以將數據流引入處理鏈，然后經過一系列數學運

176、算對在傳感器視野范圍內檢測到的點生成距離、速度和角度信息。由于這些系統通常規模較大且vfd=(2V/)i cos工業機器人設計工程師指南 51 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術且成本高昂，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。額外的數字處理資源現可進行聚合、跟蹤和分類等任務的數據后處理，如圖7所示。走在TI毫米波傳感器前面的人會產生多個反射點。在機器人操作系統(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區域中（如圖8所示）。此映射會收集四分之一秒內的所有點。收集到的點信息密度可提供

177、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據，可確保它們能夠自主操作。圖8.RVIS中顯示的由IWR1443EVM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的障礙物并在確定的自由空間內進行自主操作。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RobotOS機器人開源Turtlebot2開發平臺，并在該平臺上安裝了IWR1443EVM，如圖9所示。圖9.安裝在Turtlebot2上的I

178、WR1443EVM.通過對EVM實現基本驅動程序(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7.TI毫米波傳感器處理鏈.RF front-endADCADC dataIWR1443Point cloud(range,velocity,angle)IWR1642Pre-processing(interface mitigation)1st dim FFT(range)2nd dim FFT(velocity)3rd dim FFT(angle arrival)DetectionObject classif

179、icationTrackingClusteringObject工業機器人設計工程師指南 52 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術我們在室內辦公環境中設置障礙并使Turtlebot2通過該區域，使用OctoMap庫建立一個3D占據柵格地圖。圖11 是使用 RVIZ 的占據柵格屏幕截圖。圖11.在RobotOS中使用OctoMap庫生成占據柵格地圖.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。Turtlebot2成功高效地導航到了選定的位置，然后旋轉到適當的姿勢，避開了其路線中的靜態和動態物體

180、。這證明了使用一個面向未來的毫米波傳感器快速在RobotOS環境中進行基本自主機器人導航的效果。圖12.使用IWR1443EVM占據柵格地圖和RobotOSmove_base庫使Turtlebot2進行自主導航.結論 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，由于現在TI將射頻、處理和內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的機器人傳感技術。與其他技術相比，TI毫米波傳感器的優勢如下：TI毫米波傳感器對環境條件（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?！癿ove_

181、base_simple/goal”geometry_msgs/PoseStampedmove_baseglobal_plannerglobal_costmaprecovery_behaviorslocal_costmaplocal_plannerinternalnav_msgs/Path“/tf”tf/tfMessage“odom”nav_msgs/Odometry“cmd_vel”geometry_msgs/Twist“/map”nav_msgs/GetMapsensor topics sensor_msgs/LaserScansensor_msgs/PointCloudSensortran

182、sformsAmciOdometrysourceBase controllerProvided nodeOptional provided nodePlaform specific nodeti_mmwave_rospkgOctomap_server(pre-existing map)Navigation stack setupTurtlebot_bringup圖10.與配備有IWR1443EVM的Turtlebot2配合使用的RobotOS庫導航堆棧.工業機器人設計工程師指南 53 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術 TI毫米波傳感器提供物體的多普勒速度信息，因此

183、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式的傳感器機制。集成式的單個單片CMOSTI毫米波傳感器使所有處理都可在傳感器內發生。與基于視覺的系統相比，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(MIPS)。TI毫米波傳感器技術提高了機器人的智能化操作，同時在實際環境中增強了耐用性。這項技術的應用將進一步加快機器人系統的快速采用。4.2邊緣智能賦能自主工廠從傳統的工業機

184、器人系統到如今最新的協作機器人，各種機器人都依賴于能夠生成并處理數量龐大、種類紛多的數據的傳感器。這些數據有助于在自主機器人中進行實時決策，從而實現更智能的事件管理，同時在動態的現實環境中保持工作效率，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據以進行實時決策。相較于某些基于光或視覺的傳感器，這種集成有助于實現更小的設計。圖1毫米波傳感技術有助于監測機器周圍區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據，因此可降低總體系統成本。不受灰塵、煙霧和可變光照等環境條件影響是工廠環境中的另一個重要

185、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傳感應用中具有出色表現。TI毫米波技術不僅可以實現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生。例如，可以配置TI毫米波傳感器，使其監測機器周圍的特定區域、定義排除區域以及向該區域內的人員發出警告。通過對這些區域進行分區，可讓傳感器根據區域占用或人員靠近情況做出相應的反應。工業機器人設計工程師指南 54 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術圖2說明了此功能，其中將區域標記為安全（綠色）、警告（黃色）和

186、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人員接近機器的速度快速觸發危險區域警告。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).為了提高生產率，您希望避免因誤觸發而停止機器。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速度為了簡化機器

187、人系統的設計以及縮短開發時間，使用具有集成封裝天線的毫米波傳感器的區域掃描儀參考設計使用了IWR6843EVM，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.工業機器人設計工程師指南 55 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術4.3對智能機器人使用超聲波傳感在不久的將來，機器人將執行人類目前執行的許多任務。我們已經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，而無人機則在給農場施肥以及運送貨物。

188、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，為了實現這樣一個未來世界，一項關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包括：超聲波傳感，這種技術可以發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

189、一種技術（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。設計此系統時，一種好方法是使用嵌入在掃地機器人側面的超聲波傳感器提供360度全覆蓋。傳感器的間距和數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，超聲波傳感器網絡會映射障礙物，計算

190、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品，如圖2所示。工廠所有者和機器人系統制造商的主要關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附近物體的情報，以及可由這些機器人系統的CPU用來避免碰撞的距離信息

191、。圖2.裝配線機器人系統組件.工業機器人設計工程師指南 56 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術在機器人中使用的超聲波避障系統的組件包括：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過密封（保護其免受環境影響）；頂部敞開的傳感器，其中的晶體暴露或覆蓋著類似于網狀網絡的東西。頂部封閉的傳感器需要較高的驅動電壓，進而需要附加的系統組件：變壓器。變壓器。單端或中心抽頭變壓器將產生驅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動器。例如，TI的PGA4

192、60可以驅動變壓器，處理從回波返回的電信號，并實時計算每個相關回波的ToF數據。CPU。機器人系統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是超聲波收發器模塊的示例，該模塊整合了超聲波傳感器和TIPGA460超聲波信號處理器和驅動器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的經濟、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基于超聲波傳感的設計。Centralprocessingunit(CPU)Transformer&tran

193、sducer pairPGA460Closed toptransducer圖3.超聲波收發器模塊示例.工業機器人設計工程師指南 57 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術4.4傳感器數據如何賦能機器人技術中的AI從傳統的工業機器人系統到如今最新的協作機器人（簡稱“cobot”），各種機器人都依賴于能夠生成數量日益龐大、種類紛繁多樣的數據的傳感器。這些數據可以幫助構建更好的機器學習(ML)和人工智能(AI)模型，機器人可以依靠這些模型來實現自主性，從而做出實時決策并在動態的現實環境中導航。工業機器人通常放置在封閉的環境中，當人類進入其環境時將停止運轉。但是限制人類與機器

194、人協作會導致無法實現許多好處。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（尤其是ML/AI系統）的有效性能在很大程度上取決于向這些系統提供關鍵數據的傳感器的性能。如今，各種越來越精密和精確的傳感器，再加上能夠將所有這些傳感器數據融合在一起的系統，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的發展一段時間以來，機器人自動化一直是制造業中的一項革命性技術，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。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？什么樣的技術會將AI與需要智能化的數據聯系起來？最后

195、，TI傳感器是如何運用（融合）到AI系統中的？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，需要將大量數據集饋送到神經網絡中。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過訓練的AI系統，該系統在部署后可以執行特定任務，例如檢查裝配線上的瓶子、對房間內的人進行計數和跟蹤或確定票據是否是偽造的。但是，為了讓AI在許多行業中發揮其應有的作用，推理（此部分旨在執行經過訓練的ML算法）期間產生的傳感器數據必須進行（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中。假設為了與人

196、類緊密協作而構建了一個協作機器人。該機器人依靠來自接近傳感器和視覺傳感器的數據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性的活動。所有這些數據都需要實時處理，但云計算速度不足以支持協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。VisionProximi

197、ty/touchHearingVibrationTemperature/humidity工業機器人設計工程師指南 58 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術隨著ML越來越流行，功耗和大小經過優化的“推理引擎”也越來越多。這些引擎是專門用于執行ML推理的專用硬件產品。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、視頻加速和工業聯網功能，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

198、。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數字信號處理器內核和嵌入式視覺引擎子系統形式呈現的專用硬件，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趨勢。協作機器人人類通常無法接近處于運行狀態的傳統工業機器人，否則會置身于危險之中。相反，協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。根據國際標準化組織TS15066的定義，協作機器人是一種能夠在協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中同時進行生產操作（這不包括機器人加機器人系統或并置的人類與機器

199、人，它們是在不同時間進行操作）。由于需要定義和部署協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。協作機器人制造商必須在機器人系統中實現高水平的環境感知和冗余度，以快速檢測和防止可能發生的碰撞。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生的碰撞；在即將發生的碰撞時，控制單元將立即關閉機器人。如果任何傳感器或其電子電路出現故障，機器人也會關閉。隨著協作機器人在苛刻的工業環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作機器人，尤其是那些具有嚴格投資回報率目標并希望

200、縮短產品周期的制造商。物流機器人物流機器人是在可能有人在場或不在場的環境（例如倉庫、配送中心、港口或園區）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，大多數物流機器人都使用的是預先定義的路線；而現在，物流機器人能夠根據其他機器人、人類和包裹的位置來調整導航。超聲波、紅外和激光雷達(LIDAR)傳感都是支持性技術。由于此類機器人需要移動，因此控制單元位于內部，通常與中央遠程控制單元進行無線通信。物流機器

201、人現在采用更先進的技術，例如ML邏輯、人機協作和環境分析技術。圖2.協作機器人在工廠環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）。工業機器人設計工程師指南 59 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術最后一英里的送貨機器人在產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

202、，提高最后一英里的送貨效率已成為開發和實施可以推動流程改進和提高效率的新機器人技術的重點。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，此數據有助于創建物體的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

203、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，例如時數轉換器和GaN，如LIDAR 脈沖飛行時間參考設計和適用于 LIDAR 的納秒級激光驅動器參考設計中所示。諸如TIOPT8320之類的3DToF傳感器使機器人能夠確定螺釘的準確角度，然后微調螺絲刀，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，靈活的結構光（采用DLP技術實現，如基于 AM572x 處理器并采用 DLP 結構光的 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

204、在環境以及機器人組件（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熱。精確的溫度監測可以保護電機，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果。在靠近赤道的工廠和熱帶氣候地區，溫度和濕度傳感器可以預測露點，便于進行電子系統保護和預測性維護。超聲波傳感器如果機器人被強光照射或發現自身處于非常黑暗的環境中，視覺傳感器可能無法工作。通過發射超聲波并偵聽從物體反射回來的

205、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，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監控，工業振動傳感便是其中不可或缺的技術。集成式電子壓電式傳感器是工業環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

206、測的準確性更上一層樓。工業機器人設計工程師指南 60 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術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物體的距離以及任何障礙物的相對速度?；パa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物

207、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。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，由于現在TI將射頻、處理和內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的

208、機器人傳感技術。更先進的雷達傳感系統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送線性調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機器人系統的信號鏈需要實時融合各種傳感器數據。協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，

209、機器人將有越來越多的傳感器連接到機器人內部運行的AI和ML系統，因此AI機器人系統制造商面臨的主要挑戰在于，他們需要處理由混合傳感器數據驅動的混合ML系統中多個并行運行并通信的AI系統。機器人開發人員可依賴高級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，加快產品開發速度，使其能夠快速交付給工業客戶。推動工業機器人進步的IC必須提供精確的傳感、高速傳感器信號轉換、快速計算/信號處理，以實現實時響應和高速通信。IC還能與GaNFET等先進的半導體配合使用，以實現高效率和小尺寸電源。新的IC還為行業帶來了新的標準，例如單一雙絞線以太網和單一雙絞線供電，從而降低布線復雜性并提高可靠性。工業機

210、器人設計工程師指南 61 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術TI可以提供下一代機器人所需的各種產品，從傳感器到處理器，應有盡有，其廣泛的產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。產品具有增強型隔離等功能，并經過測試，符合在嚴苛工業環境中使用的標準。4.5將機器學習引入嵌入式系統機器學習的前景不容小覷，其最新發展的深度學習已被人們視為會影響世界的基礎技術，與互聯網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據集，深度

211、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行業帶來同樣的效果。與傳統的機器學習相比，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據，而實現所有這一切所需的相關領域專業知識卻更少。為了讓機器學習在許多行業中發揮其應有的作用，必須將推理（此部分旨在執行經過訓練的機器學習算法）部署到嵌入式系統中。這一部署過程有其獨特的一系列挑戰和要求。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據集饋送到深度神經網絡(DNN)中。實時性能或功耗在該階

212、段不會有問題。如 傳感器數據如何賦能機器人技術中的 AI 白皮書所述，訓練階段的成果是經過訓練的神經網絡，該神經網絡在部署后可以執行特定任務，例如檢查裝配線上的瓶子、對房間內的人進行計數和跟蹤或確定票據是否是偽造的。將經過訓練的神經網絡部署到執行算法的設備上稱為“推理”。根據嵌入式系統施加的約束，訓練神經網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據的位置的概念是現代嵌入式系統的核心，即網絡的邊緣。使用深度學習時，此概念對于在邊緣實現智能和自主變得更加重要。Training(PC/GPU)Forma

213、t conversion(if necessary)Inference deployment(embedded processor)Trained networkLarge data setsEnd product圖1.傳統深度學習開發流程.工業機器人設計工程師指南 62 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術許多應用（從工廠車間的自動化機械和工業機器人，到家庭中的自導式掃地機器人，再到田野中的農用拖拉機）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.依靠互聯網連接通常不是可行的選擇。低延遲.許多應用

214、都需要即時響應。應用可能無法忍受在其他地方發送數據進行處理的延時時間。隱私.數據可能是私有的，因此不應在傳輸或存儲到外部。帶寬.網絡帶寬效率通常是一個關鍵問題。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的首要考慮因素。移動數據會消耗能量。數據需要傳輸得越遠，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中固有的要求是重疊的，特別是功耗和可靠性。嵌入式系統還需要考慮其他一些因素，這些因素與系統的物理局限性有關或緣于這些局限性。在尺寸、內存、功耗、溫度、壽命以及成本方面，經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注點進行平

215、衡的過程中，選擇處理器來執行邊緣機器學習推理時需要考慮一些重要因素?？紤]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。執行推理是唯一需要的處理，還是要將傳統機器視覺與深度學習推理相結合？系統在較高層面運行傳統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典的計算機視覺算法來執行對象跟蹤，而在圖像中具有較低幀率的確定子區域上使用深度學習進行對象分類。在該示例中，跨多個子區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計算機視覺和深度學習以

216、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域跟蹤多個對象并對每個被跟蹤的對象執行分類的示例用法。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的。例如，對視頻流上的對象進行分類的卷積神經網絡(CNN)的性能取決于網絡中使用的層、網絡的深度、視頻的分辨率、幀率要求以及用于網絡權重的位數，等等。但是，在嵌入式系統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

217、在高功率集中式深度學習應用中常用的神經網絡模型）的30fps1080p，但如果某個應用將在244x244目標區域上運行更符合嵌入式需求的網絡，這樣的處理器可能有點大材小用?？紤]嵌入式需求。選擇適合的網絡與選擇適合的處理器同樣重要。并非每種神經網絡架構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實時性能。在選擇網絡的基準測試時，應該優先考慮符合嵌入式需求的網絡，這樣的網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等更為知名的網絡，因為這些網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絡融入嵌入式領域。例如，神經網

218、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量化并有效利用稀疏度（限制非零權重數量）等其他技術的處理器是嵌入式領域中的理想選擇。工業機器人設計工程師指南 63 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術 確保易用性。易用性是指易于開發和易于評估。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。正確執行此過程的最佳方法是在現有處理器上運行選定的網絡。某些方案提供了相應的工具，這些工具可以在給定網絡拓撲的情況下顯示出給定處理器上可實現的性能和精度，因此無需實際硬件和最終確定網絡即可進行性能評估。對于開發而言，必須能夠從諸如Ca

219、ffe或TensorFlowLite之類的常見框架中輕松導入經過訓練的網絡模型。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OpenNeuralNetworkeXchange（開放神經網絡交換）之類的開放式生態系統的支持意味著將支持更大范圍的開發框架。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常出現的功耗、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，功耗和大小經過優化的“推理引擎”也越來越多。這

220、些引擎是專門用于執行深度學習推理的專用硬件產品。一些引擎經過了優化后可以使用1位權重并可以執行簡單的功能（例如關鍵詞檢測），但是若要進行這樣大幅度的優化來節省功耗和計算處理資源，則需要犧牲有限的系統功能和精度。如果應用需要進行對象分類或執行細粒度的工作，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。在大多數情況下，這種引擎需要與系統中的另一個處理器并存，用作深度學習協處理器。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行深度學習推理的各種處理元件外，SoC還集成許多用

221、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、視頻加速和工業聯網功能，使單芯片解決方案的功能不僅限于運行深度學習。工業機器人設計工程師指南 64 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術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具有兩個用于系統處理的ArmCortex-A15內核、兩個用于運行傳統機器視覺算法的C66x數字信號處理器(DSP)內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)軟件產品包括TIDL庫，該庫在C66xDSP內核或EVE上運行，因此可以在器件上同時運行多個推理

222、。另外，AM5729提供了豐富的外設、一個用于實現EtherCAT等工廠車間協議的工業通信子系統(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品最重要的組件選擇，對于許多改變行業并將機器學習推向邊緣的產品而言，便是如此。圖3.SitaraAM5729SoC的框圖.Video accelerationIVA HD 1080p video,VPE2 x EVE(deep learning accelerator)2 Video input portsGraphics accelerationIndus

223、trial communicationsubstystemSystem servicesSerial I/OSecurity accelerationDisplay subsystem28 nmHigh speed interconnect1DCAN+1 CAN-FD8McASP4McSPI5I2CIndustrail and programmable I/OGbE 2-port switch with 1588G/MII,RMII,RGMII*GPIOUSB2USB3/22PCIe 3PWM/CAP/QEP EDMA13 mailbox2.5-MB L3 Shared RAM w/ECC32

224、-Bit DDR3/3L w/ECC32-Bit DDR3/3L2-MB L232-KB L164-KB RAMC66x DSP32K/32K L1288KB L2+-*=Cortex=A1532K/32K L13D GPU2x SGX544BB2DGC3202x24b,2x8b10UARTQSPIStorage I/OSATA3 SD/SDIO1 eMMC/SD/SDIONAND/NORSDMAWDTKBDSecure WDTSpinlock16 timerC66x DSP32-K/32-K L1288-KB L2+-*=ARMCortex-A1532-K/32-K L1Cortex=A15

225、32K/32K L1ARMCortex-M43 LCDHDMI 1.4a1080p Blend/scale/convert4x Industrial Ethernetinterfaces(2 PRU-ICSS Subsystems)Supported industrial Ethernet protocols:TSN,Ethernet MAC,EtherCAT,PROFINET,EtherNet/IP,PROFIBUS,POWERLINK,SERCOS3,HSR,PRP,and more.Feedback interfacesSinc3 sigma-delta filter,EnDat 2.2

226、,TMT工業機器人設計工程師指南 65 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術4.6機器人可以應對新的挑戰和功能為了跟上在線購物的增長步伐，物流中心的數量成倍增加，同時輪式機器人的數量也隨之增加，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

227、送到工作場所和園區宿舍。隨著餐館逐漸轉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（有些人認為它們是變相的機器人），讓我們看一下目前業界使用的整個機器人產品陣容：工業機器人（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機器人已經使用了很多年（大多數都用在汽車行業），但隨著人類與機器人之間的協作機會不斷增加，一種稱為協作機器人（簡稱cobot）的較

228、小變種正以顯而易見的速度進入市場。物流機器人出現在倉庫、配送中心、港口甚至園區內。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）。庫存機器人出現在超市或庫房中。這些機器人定期掃描貨架，確保商店的產品不會售罄。圖2.接待機器人示例.如機器人白皮書 傳感器數據強化 AI 中所述，工業機器人通常放置在封閉的環境中，當人類進入其環境時將停止運轉。但是限制人類與機器人協作會導致無法實現許多好處。自主能力

229、將使人類與機器人安全高效地共存。工業機器人設計工程師指南 66 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 4 章：傳感和視覺技術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（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提供關鍵數據的傳感器的性能。如今，各種越來越精密和精確的傳感器，再加上能夠將所有這些傳感器數據融合在一起的系統，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

230、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需求，包括傳感、智能和功耗方面的需求。4.7機器人系統的視覺和傳感技術參考設計使用具有集成封裝天線的 TI 毫米波傳感器的區域掃描儀參考設計此設計利用TI的單芯片毫米波技術實現可在3D空間中進行檢測和定位的區域掃描儀。在 Sitara MPU 和封裝天線毫米波傳感器上使用 ROS 的自主機器人參考設計此設計展示了Linux處理器軟件開發套件(SDK)在SitaraAM57x處理器上運行、毫米波SDK在IWR6843評估模塊上運行的自主機器人。

231、此設計展示了嵌入式機器人系統的功能，其中在機器人操作系統(ROS)上運行的SitaraAM57x處理器將處理毫米波雷達傳感過程中的點云數據，并且是用于總體系統控制的主處理器。具有 IO-Link 的超聲波距離傳感器參考設計此設計采用了超聲波距離傳感器，此類傳感器集成度高且布局經過優化，因而適合M12外殼。此設計提供一個IO-Link接口以便與系統控制進行通信，進而支持工業4.0。LIDAR 脈沖飛行時間參考設計LIDAR系統利用光在物體之間傳輸所需的時間嘗試測量與此目標之間的距離。此設計展示了如何基于時數轉換器(TDC)為LIDAR設計時間測量后端以及相關的前端。查找更多有關機器人系統的參考設

232、計。撰稿人：Dennis Barrett、Adrian Alvarez、Prajakta Desai、Ram Sathappan、Matthieu Chevrier、Mark Nadeski 和 Lali Jayatilleke。工業機器人設計工程師指南 67 2Q 2020 I 德州儀器(TI)5.1利用TIDLP技術驅動的結構光系統實現高精度的撿拾功能在工業環境中，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行器（安裝在機械臂末端的設

233、備）來說是一項挑戰，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除了需要2D攝像機信息之外，還需要獲取深度信息。結構光技術可以解決與拾取對象的3D圖像捕捉有關的挑戰?；诮Y構光技術的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據并輸出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技術通過組裝在半導體芯片（稱為

234、數字微鏡器件(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，可實現精確的像素圖像投影。微鏡的過渡時間約為3s，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亮像素，而后者則創建暗像素。圖2.DLP芯片包含數以百萬計的微鏡，可分別在高速下進行控制并有針對性地反射光以創建投影圖案.DLP技術還具有獨特的優勢，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)內投射圖案。對于撿拾操作，DLP技術驅動的結構光具有以下優點：穩健可靠，可抵御環境光。在需要機器視覺進行撿拾操作的應用中，工廠的照明條

235、件（例如低光照和不同照明區域之間的高對比度）或閃爍的光線（可能會干擾機器視覺系統）可能是一個挑戰。由DLP技術驅動的結構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.結構光系統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）。結構光系統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。第5章：機器人工具技術（末端執行器）工業機器人設計工程師指南 68 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第 5 章：機器人工具技術（末端執行器）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

236、觸發輸出和輸入，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實時3D圖像采集，從而實現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 x1600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。與使用衍射光學元件的系統相比，可編程圖案和各種點編碼方案（例如相移或灰度編碼）使結構光系統更適合于對象參數。加快開發時間。盡管機器人具有很高的可重復性，但在非結構化環境中，拾取操作仍需要精確度，在這種環

237、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，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。使所有系統協同工作可能是一個挑戰，需要花費大量的開發時間。TI的DLP技術評估模塊可將結構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DLPLightCrafter4500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電纜觸發，參見圖3。評估板和攝像機都經由USB連接到PC，整個設置都指向校準板。使用DLP技術參考設計的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

238、、焦點、鏡頭畸變、攝像機相對于校準板的平移和旋轉等參數。參考設計用戶指南將分步介紹整個過程。圖3.結構光設置，包括DLP產品LightCrafter4500（左）、PointGrey前視紅外Flea3攝像機（右）和校準板（后）。只有當攝像機相對于DLP產品電路板發生了移動時，才需要重新校準。設置完成后，就可以創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HalconHDevelop中顯示的盒子中（右）使用DLP驅動的多個杯子的

239、結構光捕獲點云。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，并可以在非結構化和變化的環境中避開障礙物。作者：FranzSchellhase工業機器人設計工程師指南 69 2Q 2020 I 德州儀器(TI)第6章：機器人工業通信6.1為傳感器選擇合適的工業通信標準繼蒸汽動力、裝配線和早期自動化革命之后，更大規模的工廠連接和控制正在引領第四次工業革命，即工業4.0。這場運動以數據、帶寬和網絡的指數級增長推動了機器對機器間的通信，從而創建了在各個級別上都

240、具有更高響應自動化的智能工廠。盡管人們的關注點大多集中在機器人和配套裝配線之類的大型系統，但如果沒有與運行生產線的可編程邏輯控制器(PLC)進行通信的傳感器和執行器，它們所能支持的自動化就不可能實現。傳感器和執行器，無論是在本地還是遠程運行，其數量往往遠遠超過它們所支持的復雜系統。如圖1所示，優化整個工廠通信對于滿足各種規模系統的各種要求而言是必要的。事實證明，適合工業應用的以太網協議在工廠現場作為現場總線很受歡迎。這些工業以太網協議（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據傳輸，以及自動化制造所需的其他功能。此外，基于這些標準的現場網絡能輕松連接

241、到大型工廠數據網絡和互聯網。但是，對于傳感器和執行器而言，工業以太網通常過于強大。這些系統通常需要點對點通信而不是現場總線，并且它們的帶寬要求通常很低。一種創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議。IO-Link不僅能有效地將數據從工廠車間高效地傳輸到PLC，而且還支持改進的設置、診斷和維護，并且與現有現場總線布線互補。由于IO-Link和工業以太網是互補的，因此了解這兩個標準如何協同工作對聯網工廠系統的設計人員而言大有裨益。圖1.按用例列出的工業通信.低帶寬IO-Link傳感器和執行器是自動化的最基本單元，它將信息饋入網絡系統并根據網絡系統的指令執行操

242、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IEC61131-9）是一種開放式標準協議，它解決了傳感器和執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場總線和PLC網關的主機之間的低速點對點串行通信。智能鏈路可簡化數據交換、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。數據速率范圍高達230kbps，非同步最小周期時間為400s，+10%。四種操作模式支持雙

243、向輸入/輸出(I/O)、數字輸入、數字輸出和停用。未指定安全機制和確定性數據傳輸。稱為IO器件描述(IODD)的配置文件包含通信屬性、器件參數、標識、過程和診斷數據，以及有關器件和制造商的信息。PerformanceComplexityIndustrial communication by use caseVision camerasCNCMotor drivesTest andmeasurement3D TOFProximityValvesIdentificationProcess dataGripperVibration monitoringIO-LinkIndustrial Ethern

244、et第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 70 2Q 2020 I 德州儀器(TI)IO-Link系統的許多優點包括標準化布線、更大的數據可用性、遠程監視和配置、簡單的器件更換和高級診斷。IO-Link允許工廠經理接收傳感器更新，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。在不訪問工廠現場的情況下將生產從一種配置遠程切換到另一種配置可以簡化產品定制（圖2）。工廠可以將生產線輕松升級到IO-Link，因為它與現有的標準I/O設備和電纜向后兼容?？傊?，這些功能可降低總體成本、提高

245、流程效率并提高機器可用性。圖2.現場級通信.工業以太網：智能工廠的骨干近年來，工業以太網已在高度自動化的工廠中顯示出其價值，成為大型現場網絡（包括復雜系統、PLC和支持與外部網絡交互的網關）的首選標準。高速、通用接口和長連接距離等優點使得以太網在數據網絡中無處不在。此外，工業以太網使用改進的媒體訪問控制(MAC)層，以低延遲提供確定性數據傳輸，并支持時間觸發事件。支持環形和星形拓撲以及傳統的內聯連接，可確保在電纜斷開時的安全性和可靠性。工業以太網不是唯一的單一規范，而是由不同的工業設備制造商驅動的用于在現場級應用中實現的一大組不同協議實現。常用協議包括EtherCAT、Profinet、以太網

246、/IP、SercosIII和CC-LinkIEField等。白皮書“工業以太網通信協議洞察”對這些協議進行了比較，并討論了舊版非以太網串行現場總線協議，如控制器局域網(CAN)、Modbus和Profibus。Profinet和EtherCAT是使用最廣泛的兩種協議，它們說明了工業以太網的類型之間以及它們與IO-Link之間的區別。兩者均指定為100Mbps的傳輸速率，并且最大傳輸距離為100m。Profinet需要獨立于數據電纜電源的電源，而EtherCAT提供的版本(EtherCATP)在同一根電纜中包含電源和數據。Profinet支持全雙工通信，并能夠將數據包發送到網絡上的每個節點。該協

247、議還提供了三個類，允許用戶匹配網絡所需的性能級別。相比之下，EtherCAT在網絡上向一個方向發送一個共享幀，所有的從機都將其數據放在這個共享幀中，該方案支持極快的轉發時間。Profinet和EtherCAT都比IO-Link具有更快的周期時間，而容差卻小得多。兩者都基于網絡同步而不是像IO-Link一樣從通信開始就計時。附加協議為連接提供功能安全性。工業以太網協議通常提供許多服務，以簡化自動化環境中的集成。盡管大多數傳感器不需要工業以太網連接提供的強大功能集，但視覺傳感是一個重要的例外。攝像機產生的海量數據本身就足以需要一個比IO-Link所能提供的數據速率要高的連接。視覺傳感以及有時其他類

248、型的傳感可能會為實時過程控制提供必要的輸入，因此需要工業以太網的確定性傳輸。Field-level communicationIndustrial EthernetProfinetIO-LinkDiscrete第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 71 2Q 2020 I 德州儀器(TI)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，但是工業以太網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，使用攝像機饋送，甚至可以進行更高級別的識別，但是此

249、處討論的工業以太網協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技術競爭性工業以太網協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。即使是簡單的傳感器和執行器也需要在更大的工業以太網環境中有效運行。由于自動化設備之間有如此多的通信選擇，工業系統設計人員需要靈活但易于使用的解決方案。TI技術通過基于一系列標準（包括IO-Link和最常用的工業以太網協議）的工業通信集成解決方案來滿足這些要求。TI的TIOL111x收發器系列為自動化系統中的傳感器和執行器提供了完整的IO-Link功能以及靜電放電、電快速瞬變和電涌保護

250、。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、螺線管驅動器、超聲和其他應用的開發。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以太網協議，以使其系統與多個現場總線環境兼容。傳統上，添加協議需要創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。TISitara 系列Arm處理器無需添加硬件，即可提供支持多協議工業以太網的集成可編程實時單元和工業通信子系統(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示例。PRU在器件運行時加載工業協議固件，并

251、提供EtherCAT、Profinet、SercosIII、Ethernet/IP和EthernetPowerLink選項。PRU-ICSS處理實時關鍵任務，否則這些任務會內置到應用特定的集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)中，從而在您需要添加新功能或協議時提供基于軟件的可升級解決方案?；诳蓴U展的Arm內核（Cortex-A8、A9或A15，取決于處理器），Sitara處理器支持使用多種工業以太網協議為工廠自動化提供單芯片解決方案。TI為工業以太網和其他標準（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模塊使

252、用。許多TI網絡產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。深入的開發支持包括用于自動化工業設備中各種應用的軟件、工具、EVM和參考設計。Selection example:Time of Flight(ToF)ResolutionSpeed3D ToF-High resolution-High frame reate(100 fps)-Sensor fusion3D ToF-Object detection-Object dimension-Safety zoneToF-Presence-Distance第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工

253、程師指南 72 2Q 2020 I 德州儀器(TI)圖4.一個基于Sitara處理器與IO-Link主機直接通信的系統。特性IO-LinkProfinetEtherCAT注釋物理層230kbit、半雙工、20米、同一電纜供電100Mbit、全雙工、100米、獨立電源100Mbit、共享數據包、100米、同一電纜供電僅Profinet支持并發接收和傳輸數據包拓撲點對點線型、環型、星型線型、環型、星型以太網支持大規模網狀最小周期時間400s+10%250s（31.25s，帶DFP）31.25sIO-Link允許+10%的額外公差時間同步基于通信啟動PTCP1s,IRT測試250ns分配時鐘100n

254、sIO-Link沒有應用時間安全性不可用沒有Profinet流量的限制不可用所有這些都需要IT連接附加安全協議功能安全僅在冗余信道上有存在跡象Profisafe功能安全存在于EtherCAT以太網傳輸被視為黑通道配置文件和服務智能傳感器、現場總線集成、固件更新、OPCUAProfidrive、CiR、系統冗余、診斷SoE、CoE、EoE、FoE、AoE、EAP全部支持集成到自動化網絡中，IO-Link上沒有驅動器配置文件表1.用于制造現場通信的IO-Link和工業以太網.IO-Link master with Sitara AM437x processorAM437xARMCortex A9M

255、PU256-k RAMIOLMframerhandlerIEP timerGPIOPRU-ICSS 1Time syncPeripheralsIO-LinkmasterphysDP838221100 MbitMulti-protocolindustrialethernetIEP timerPRU-ICSS 2DDR3LFlashMIIMIIUARTSPI Up to 16 channel IO-Link master Frame handler in firmware Channel independent or time syncTPS6521816-channelIO-Linkmaster

256、IsolationCC3xxx/CC26xxGigabitEthernetSecurityRGMIITransformerOSSDeTime triggerFunctional safetySecurityTime capture SPIDP838221100 MbitDP8386711000 Mbit面向未來智能工廠的技術智能工廠的發展有賴于多功能網絡的實現，該網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。工業以太網協議為連接到PLC、攝像機、機器人和其他復雜自動化系統的現場總線連接提供了高帶寬和快速、有保證的計時。IO-Link為現場總線主機和傳感器或執行器之間的點對點連接提供了

257、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產品組合，可幫助設計人員利用這些互補標準在第四次工業革命中實現自動化領域的創新。第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 73 2Q 2020 I 德州儀器(TI)6.2賦能機器人，實現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，成功實現了多個行業的變革，從汽車到電子產品再到消費品行業，無不見證著它的影響。機器人為重復性任務的執行帶來了生產力、成本效益以及通常更高的安全性。機器人不斷發展，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揮作用外，機器

258、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環境的大量傳感數據，能夠在彼此之間以及與中央控制單元進行通信，并執行適應環境變化的控制功能，防止它們傷害人類。通過為工業自動化提供創新的電子解決方案，TI提供了一系列IC產品，可進行高級機器人系統開發。從工廠的最高控制層到執行器和傳感器，TI為控制、通信、電源和安全提供了單獨的產品和完整的解決方案。TI系統的專業知識基于與許多行業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的設計并縮短開發時間。工業自動化中機器人應用的類型盡管人們對類人

259、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注，但工業環境中使用的機器人仍然是機器人市場的主流。機器人開發人員在設計工業用產品時面臨的許多問題也適用于機器人技術的其他領域，而為滿足工廠要求而創建的技術通?？梢栽谥圃鞓I之外實現新的機器人應用。盡管工業自動化中使用的所有機器人在技術上都是工業機器人，但在本次討論中，重點將放在三組機器人應用上：如圖1所示的工業機器人、物流機器人和協作機器人。工業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。工業機器人旨在快

260、速、準確地執行任務，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，機器人通常會被關閉。為了人身安全和不干擾操作，工業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。圖1.機器人在工業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場的一處建筑物運到另一處；一項最新的發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境中移動，并且需要多個傳感器來進行定位和制圖，以防

261、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。由于這種機器人具有移動性，因此控制單元位于內部，通常與中央遠程控制進行無線通信。第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 74 2Q 2020 I 德州儀器(TI)協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作。協作機器人可能會在人類目視檢查物體或執行微調任務時握住物體。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域中，也可能會將其移動到新位置以便與其他工人進行協作。協作機器人制造商必須在機器人系統中實現高水平的環境感知和冗余度，以快速檢測和防止可能發生的碰撞。連接到控制單元

262、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；控制單元將立即關閉機器人。如果任何傳感器或其電子電路出現故障，機器人也會關閉。協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。工業機器人技術要求投資于機器人的制造商正在尋求更高的生產效率，同時在合理的時間范圍內獲得良好的投資回報。實現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的機器，同時在工廠車間實現更完整、更短和更高效的生產運行和新用途。此外，如

263、今許多工廠正在為生產線增加更多的通信和控制層，將更多的數據整合在一起，以實現更好的過程控制和設備維護，同時也使工藝對產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重要。機器人開發人員依靠先進的IC解決方案來滿足這些要求。推動工業機器人進步的IC產品必須提供精確的傳感、高速傳感器信號轉換、快速計算/信號處理，以實現實時響應和高速通信。IC還能與GaNFET等先進的半導體配合使用，以實現高效率和小尺寸電源。隨著傳感器數量和環境刺激的增加，所有這些因素都特別重要。機器人開發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，加快產品開發速度

264、，使其能夠快速交付給工業客戶。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。支持工業以太網和其他廣泛使用的工業通信標準。易于編程，具有更大的靈活性?？焖?、精確的模數和數模信號轉換。增強型隔離，符合工業安全標準。與其他IC結合使用時，可為安全關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境供電設備至關重要）。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。圖2.具有機

265、器人交互功能的裝配線。第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 75 2Q 2020 I 德州儀器(TI)TI的工業機器人使能技術TI可提供設計靈活的機器人所需的全套先進技術，這些機器人可以在當今的集成制造工廠環境中運行。從傳感器輸入到執行器或電機輸出，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。產品具有增強型隔離等功能，并經過測試，符合在嚴苛工業環境中使用的標準。為達到這一目的，TI為其IC產品提供深入支持以簡化其設計并加快開發速度。在TI為機器人和其他工業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

266、單元的核心都是處理器，而TI經過系統優化的Sitara處理器旨在為機器人和其他工業設備提供靈活、快速的設計?；贏RMCortex-A內核，Sitara處理器提供靈活的外設、連接和統一的軟件支持，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統一的軟件體驗，從而簡化了Sitara處理器和TIDSP系列之間的開發和代碼遷移。處理器系列內的引腳兼容選項可以實現硬件無縫升級。Sitara處理器旨在滿足長期應用的工業要求，產品生命周期通常超過10年。當實現專門的數據處理操作、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

267、程的靈活性?？删幊虒崟r單元工業通信子系統(PRU-ICSS)作為Sitara處理器系列內部的硬件模塊，用單芯片解決方案替代現場可編程門陣列(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支持，減少了開發障礙。接近傳感.協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在傳感技術方面的專業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包括超聲波、電磁、電容、電感和ToF。3DToF/光學傳感。借助TI產品，基于ToF的傳感技術便能夠超越接近檢測技術，實現下一代機器視覺。T

268、I的3DToF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。除了各種開關和線性穩壓器、開關控制器、電源監控和其他支持電源管理器件的電源管理產品組合外，TI還提供GaN 模塊、驅動器和控制器，為工業系統中的高壓電源提供出色的功率密度。GaN技術極大地降低了開關損耗，因此在減少或消除散熱器的同時，能夠實現更快的開關速度。易于使用的模塊提供了一個完整的解決方案，具有優化的布局和效率，以及符合工業標準的最小電磁輻射和噪聲。完整的支持包括EVM、開

269、發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。工業以太網.TI在網絡通信方面的深入專業知識意味著可以支持多種標準。該協議包括基本的設置任務，開源固件可實現產品差異化。第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 76 2Q 2020 I 德州儀器(TI)為一體化工廠打造更好的機器人隨著制造業在各個層面的高度一體化程度不斷提高，機器人將在執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量并為人類提供更安全的工作場所。傳統的工業機器人、物流機器人和協作機器人都

270、有自己的工作要做，機器人開發人員需要能夠使所有機器人實現準確、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的持續改善，TI正在幫助開發人員改進機器人。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議來開發高效且可擴展的“智能工廠”。TITIOL111IO-Link收發器和TIOS10

271、1數字輸出開關將有助于在工廠中實現下一代傳感器和執行器，同時提供進一步優化產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一個完整的IO-Link和支持標準輸入/輸出(SIO)的傳感器產品組合，而無需為每個產品使用兩個單獨的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)。4kVIEC61000-4-4電快速瞬變(EFT)標準A。1.2kV/500IEC61000-4-5（浪涌）。65V瞬態公差。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

272、外部瞬態電壓抑制(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和相關成本。傳感器的物理尺寸將會繼續縮小。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部PCB。該PCB尺寸為17.5mmx2.5mm。為了適應這些小型尺寸，需要一個同樣小的器件來實現IO-Link或SIO輸出。了解這些系統要求推動了TIOL111和TIOS101的新封裝開發。DMW封裝是目前可用的最小的熱增強型IO-Link封裝之一。DMW封裝尺寸為3.0mmx2.5mm

273、，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24VIO-Link接口，為PCB布局和器件放置提供進一步幫助。第 6 章：機器人工業通信工業機器人設計工程師指南 77 2Q 2020 I 德州儀器(TI)圖2.TIOL111/TIOS101直通封裝.TIOL111和TIOS101的殘余電壓很低，僅有1.75V。使用IO-Link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，其中熱性能是最具挑戰性的挑戰之一。通過支持1.75V/250mA的超低殘留電壓，TIOL111和TIOS101為功

274、耗和相關系統熱管理提供了卓越的基礎。表1列出了高側和低側的驅動器電流輸出和殘余電壓。驅動器電流輸出殘余電壓100mA1.1V高側200mA1.5V250mA1.75V100mA1.1V低側200mA1.5V250mA1.75V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絡關閉。通過一個0k至100k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)，并通過定期監測過電流情況來關閉器件的輸出?？膳渲玫南蘖麟娮栉挥贗LIM_ADJ引腳上（參見圖3）。VCC_IN/OU

275、TThermal pad3.0 mm2.5 mm24-V interfaceLogic interfaceNFAULTRXTXENL+WAKECQL-ILIM_ADJL-L+0.1 F100 V1 F10 VMicrocontrollerSensorfront-endCQIO-LinkmasterILIM_ADJTIOL111(x)CUR_OKSTMP_OKPWR_OKDiagnosticsandcontrolControllogicRSETNFAULTWAKEENTXRXVCC_OUT10 k10 kVoltageregulator圖3.TIOL111應用原理圖.第 6 章：機器人工業通信工

276、業機器人設計工程師指南 78 2Q 2020 I 德州儀器(TI)如圖4所示，在ILIM_ADJ引腳上使用0電阻會將最大電流限制默認設置為350mA。圖4.電流限制與RSET間的關系。TIOL111和TIOS101的這些及其他特性和優點可以實現最小的傳感器尺寸，同時提供靈活性以支持多種平臺和當前的配置要求。4003503002502001501005000 20 40 60 80 100RSET(k)IO(LIM)(mA)Low SideHigh Side6.4機器人系統中與工業通信相關的參考設計查找更多有關機器人系統的參考設計。撰稿人：ThomasLeyrer、MiroAdzan、Anant

277、Kamath、TobiasPuetz和RussellCrane。EtherCAT 從屬設備和多協議工業以太網參考設計該設計實現了一個成本優化的高電磁兼容性抗擾性EtherCAT從站（雙端口），具有與應用處理器相連接的串行外設接口。該硬件設計能夠利用AMIC110工業通信處理器來支持多協議工業以太網和現場總線。適用于交流逆變器和伺服驅動器的冗余雙通道安全轉矩關閉(STO)參考設計此參考設計使用雙通道隔離式安全轉矩關閉(STO)信號控制逆變器為電機提供電源，從而在變速驅動器中實現STO功能（符合國際電工委員會61800-5-2標準）。采用 PRU-ICSS 的簡單開放實時以太網(SORTE)主系統

278、參考設計此參考設計實現了包含可編程實時單元(PRU)和工業通信子系統的SORTE主機。SORTE使應用能夠在4s周期時間內在主機和器件之間交換處理數據。該設計包含開源的PRU固件。EtherCAT P-單根電纜供電和 EtherCAT 數據傳輸參考設計此參考設計展示了電源耦合在EtherCATP供電設備電路中的物理實現方式。本設計符合EtherCATP官方實施指南的所有要求。重要聲明：本文所提及德州儀器(TI)及其子公司的產品和服務均依照TI標準銷售條款和條件進行銷售。TI建議用戶在下訂單前查閱全面的全新產品與服務信息。TI對應用幫助、客戶應用或產品設計、軟件性能或侵犯專利不承擔任何責任。有關

279、任何其他公司產品或服務的發布信息均不構成TI因此對其的批準、擔?；蛘J可。德州儀器(TI)公司 2020 年版權所有ZHCY117平臺標識、C2000、LightCrafter、E2E、Delfino、InstaSPIN、Hercules、Piccolo和Sitara是商標，DLP是德州儀器(TI)的注冊商標。所有其它商標均是其各自所有者的財產。TI 全球技術支持TI 支持感謝您的訂購。要查找有關您支持需求的答復或聯系我們的支持中心，請訪問 TI 的 E2E 社區（工程師對工程師）中搜索數百萬個技術問題和答案，請訪問 中國：http:/ 培訓從技術基礎到高級實施，我們提供點播和直播培訓以幫助您實

280、現下一代設計。即刻體驗，請訪問 中國：http:/ 均以“原樣”提供技術性及可靠性數據（包括數據表）、設計資源（包括參考設計）、應用或其他設計建議、網絡工具、安全信息和其他資源，不保證其中不含任何瑕疵，且不做任何明示或暗示的擔保，包括但不限于對適銷性、適合某特定用途或不侵犯任何第三方知識產權的暗示擔保。所述資源可供專業開發人員應用TI 產品進行設計使用。您將對以下行為獨自承擔全部責任：(1)針對您的應用選擇合適的TI 產品；(2)設計、驗證并測試您的應用；(3)確保您的應用滿足相應標準以及任何其他安全、安?；蚱渌?。所述資源如有變更，恕不另行通知。TI 對您使用所述資源的授權僅限于開發資源所涉及TI 產品的相關應用。除此之外不得復制或展示所述資源，也不提供其它TI或任何第三方的知識產權授權許可。如因使用所述資源而產生任何索賠、賠償、成本、損失及債務等，TI對此概不負責，并且您須賠償由此對TI 及其代表造成的損害。TI 所提供產品均受TI 的銷售條款(http:/ 針對TI 產品所發布的可適用的擔保范圍或擔保免責聲明。IMPORTANT NOTICE郵寄地址：上海市浦東新區世紀大道 1568 號中建大廈 32 樓，郵政編碼：200122Copyright 2020 德州儀器半導體技術（上海）有限公司