英飞凌移动机器人
日期：2024-12-12
英飞凌电力电子器件机器人系统演示
移动机器人现在在商业和工业应用中很常见。从较高的层次上讲，它们可以分为两种主要类型：
- 自动引导车（AGV）：沿着预先定义的标记路径（如电线、磁带、激光/条形码）移动，由外部手段引导，并非完全自主。
- 自主移动机器人（AMR）：无需外部引导即可完全自主移动。使用内置传感器，机器人可以绘制环境地图，准确确定位置，并避开障碍物。此外，它可以识别遇到的物体并与人类互动。
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图1-完全组装的IMR和分解图
IMR的系统架构（图2）描述了IMR由所有四个车轮中的电机驱动，配备了两个可热插拔的BMS模块和两个配电盘，配电盘设计有交错降压转换器，以最大限度地减少系统中的电流纹波。对于自主导航，使用混合飞行时间（hToF）相机。它由一个耐阳光的REAL3™ 3D图像传感器和两个由英飞凌VCSEL驱动器驱动的红外发射器组成，用于聚光和泛光照明，只需一个器件即可完成测绘和避障任务。对于无线通信，IMR具有基于英飞凌CYW55573芯片组的最新3频段2x2多用户MIMO Wi-Fi 6/6E（802.11ax）和双模蓝牙®模块。这使得5/6 GHz频段的Wi-Fi数据速率可达1.2 Gbps，蓝牙®数据速率可达3 Mbps。
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图2-IMR系统架构
智能高效的电机控制解决方案
IMR的电机控制解决方案[2]（图3）使用非常紧凑的电力电子器件，即MOTIX™ IMD701A-Q064X128，它集成了XMC1404 Arm®Cortex®-M0微控制器和可编程MOTIX™6EDL7141三相栅极驱动器，以及PQFN 3.3x3.3封装的OptiMOS™ ISZ053N08NM6 80V功率MOSFET。XMC1404包括一个以96MHz运行的MATH协处理器，提供32位除法器和24位CORDIC，用于与CPU操作并行执行的三角计算。这意味着除法运算的计算时间显著减少，计算能力的提高允许将XMC1404用于实时关键任务。此外，可以以高分辨率实现场定向控制（FOC）算法。
6EDL7141在设计三相无刷直流电机驱动器时提供了最大的灵活性和安全性。它提供了一种可配置的MOSFET开关转换速率，这反过来又最大限度地减少了干扰（EMI），并由于死区时间优化和开关损耗的减少而提高了系统效率。同步降压转换器和LDO稳压器的集成可用于为外部组件、高/低侧电荷泵和三个具有可调增益和偏移的电流感测放大器供电，大大减少了BOM和PCB占地面积，同时简化了PCB设计。
ISZ053N08NM6采用最新的英飞凌OptiMOS™ 6 MOSFET技术构建，与之前的技术相比，导通电阻（RDS(on)）降低了29%，品质因数降低了38%，从而进一步显著降低了系统损耗。
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图3-IMR电机控制解决方案，包括位置传感器及其简化框图
上述装置的集成和使用为电机驱动系统提供了简化设计、高功率密度和效率、快速控制回路、EMI最小化和高性价比的优点。此外，TLE9351BVSJ的加入增强了电机控制系统的功能，TLE9315BVSJ是一种高速CAN收发器，支持高达5Mbit/s的数据速率，并配备VIO输入，可灵活地与3.3V或5V MCU接口。
IMR的电机控制解决方案是一个交钥匙解决方案，包括FOC和CAN通信固件，无需额外费用，便于参数优化和修改。它设计用于与基于磁性的位置角传感器[3]TLI5012B-E1000配合使用，该传感器为机器人的控制提供电机中的转子位置和电机的转速。使用该传感器，可以使用直接驱动电机来减少机器人中的电机空间要求。此外，角度传感器能够实现更精确的扭矩控制和更平稳的初始启动，使机器人能够在非常低的转速下运行而不会产生齿槽效应，最大限度地减少振动，并实现更高的系统效率和稳定性。
智能可靠的BMS解决方案
IMR BMS解决方案（图4和图5）是一个完整的独立电池组解决方案，由电源[4]和控制[5]部分组成。该电源板采用高度可靠的BMS IC TLE9012DQU，能够平衡单个锂离子电池单元（最多串联12个电池单元），并提供每个电池单元电压的高分辨率测量。它还提供五通道温度测量，能够高度准确地计算荷电状态（SoC）和健康状态（SoH）。此外，它还配备了一个电池诊断单元，用于检测开路负载和开路接线，并平衡过电流和欠电流事件。最后，它有一个差分串行UART接口，确保与主机MCU进行稳健的数据通信。.png)
图4-IMR完全组装的BMS模块解决方案（前视图和后视图）
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图5-IMR BMS解决方案的简化框图，显示了电源和控制板
同样重要的是电源部分中存在保护单元，该保护单元由双通道栅极驱动器、保护开关和预充电开关组成，用于控制电池和负载之间的涌入电流。EiceDRIVER™ 2ED4820-EM[8]是一款智能高端n沟道MOSFET栅极驱动器，具有两个独立的输出，支持背靠背MOSFET配置。它与电荷泵和电流感测放大器集成在一起，并配备了串行接口（SPI），用于调整和读取寄存器中可用的参数，如过电流检测阈值和放大器增益。在该解决方案中，选择了共源背靠背MOSFET拓扑，以允许同时控制保护和预充电开关。
作为预充电开关，OptiMOS™ 5 ISC035N10NM5LF2 100V功率MOSFET因其宽的安全工作区（SOA）和SSO8 5x6封装中极低的RDS(on)而脱颖而出。它通常也非常适合用于电池充电和放电期间的保护开关。然而，为了确保最大的安全性和可靠性，另一个功率MOSFET OptiMOS™ 5 IPT010N08NM5[9]被用于保护开关。这是因为，由于其较低的RDS(on)和较大的封装，它可以处理两倍以上的电流负载，以预测热插拔期间的大放电峰值电流和大瞬态电流。
智能BMS控制可以通过板载MCU PSoC™ CY8C6245AZI-S3D72执行，该MCU有两个内核——运行频率高达150MHz的Arm®Cortex®-M4F和运行频率高至100MHz的Arm的Cortex®M0+，以及512kB的应用程序闪存。设计中还包括一个密度为256kbit的额外非易失性F-RAM CY15B256Q-SXA，用于可靠快速地记录电池的测量值和其他数据。该解决方案配备了相同的高速CAN收发器，使模块能够参与IMR内的CAN通信。
与电机控制设置类似，IMR的BMS是一种交钥匙解决方案，具有CAN通信的控制固件，无需额外费用。固件中包括电池组的SoC和SoH估计以及热插拔控制。得益于板载MCU，程序员还可以完全自由地实现自己的控制和算法。BMS解决方案具有以下系统优势：紧凑的设计、具有高可靠性组件的热插拔能力、高精度的测量、高灵活性和与3.3V或5V微控制器的兼容性，以及智能BMS解决方案。
总结
IMR被设计为英飞凌子系统解决方案的系统测试平台，特别是电力电子产品。除了导航传感器和无线连接之外，电机控制、BMS和配电解决方案的集成验证了在目标应用中运行的每个子系统的功能和能力。从功能上讲，IMR展示了英飞凌在机器人领域值得信赖的系统解决方案，是持续改进和技术突破的开发平台，也是机器人设计的试验场。亲身体验IMR的功能，很快就会来到您附近的贸易展！www.infineon.com
参考资料
- Infineon Technologies AG: Robotics development platform – Infineon Mobile Robot (IMR); Online; 2024; https://www.infineon.com/cms/en/applications/robotics/development-platform/
- Infineon Technologies AG: DEMO_IMR_MTRCTRL_V1 – Motor control demo board for use in robotics, featured in Infineon Mobile Robot (IMR); Online; 2024; https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/demo_imr_mtrctrl_v1/
- Infineon Technologies AG: DEMO_IMR_ANGLE_SENS_V1 – Demo board used to detect motor angles, featured in Infineon Mobile Robot (IMR); Online; 2024; https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/demo_imr_angle_sens_v1/
- Infineon Technologies AG: DEMO_IMR_BMSPWR_V1 – Demo board for BMS power, featured in Infineon Mobile Robot (IMR); Online; 2024; https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/demo_imr_bmspwr_v1/
- Infineon Technologies AG: DEMO_IMR_BMSCTRL_V1 – Demo board for BMS control, featured in Infineon Mobile Robot (IMR); Online; 2024; https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/demo_imr_bmsctrl_v1/.
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