协作与工业机械臂中的 电流检测

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引言
协作机器人和工业机器人是推动实现工厂自动化并提高工厂效率和吞吐量的主导机器人技术。工厂通过实施这些半自动化和全自动化技术，能够以更快的速度构建终端产品，以便满足客户需求。

协作机器人
协作机器人作为人工辅助机器人，通常只能通过人机交互方式工作。这些机器人可帮助人们抬起 6kg 至 25kg 及更重的有效载荷，从而帮助人们减轻疲劳，同时提高生产速度。协作机器人通常在低于 80V 的电压下工作，由于进行直接的人机交互，大多数系统在 48V 至 50V 的电压范围内运行。这些系统有时是隔离的，具体要求取决于系统设计。这些系统的典型电流范围为 10A 至 30A，具体取决于电路节点。协作机器人中的电流检测通常用于轴内的电机控制，该电流检测是使用一个器件监测电机的同相电流，如图 1 所示。

图 1. 协作机器人和工业机器人中的电机电流检测方法

精确的相电流检测在电机控制中至关重要。电流检测不精确会导致产生大的扭矩纹波和可闻噪声，并且效率低下。表 1 中介绍了三种电机电流检测方法及其各自的优势与不足。由于信号测量具有连续性并与相电流直接相关，因此测量电机电流的理想位置即为各个相位。内嵌式电流检测面临着每个电机相位都要经历共模电压转换的挑战。在转换过程中，共模电压将在极短时间内于不同的高电压电平之间进行切换。在其他位置（如每个相位的低边）测量电流需先对数据进行重新组合和处理，以便为控制算法提供有意义的数据。

表 1. H 桥中的电流检测

协作机器人中的布板空间非常受限，因此需要一款小尺寸器件。鉴于通常不需要隔离，INA241A 等器件非常适合内嵌式电流检测应用。原因在于 INA241A 可提供高 CMRR 和增强型 PWM 抑制，从而更大程度地减小协作机器人开关系统中的误差。INA241A 采用带引线的小型 SOT-23 (DDF) 8 引脚封装，尺寸为 2.95mm × 2.95mm(8.70mm2)。如果应用确实需要隔离，则使用可提供高达 100V 功能隔离的 TMCS1108（霍尔效应电流传感器）等器件。

工业机器人

工业机器人是汽车工厂和其他制造工厂中拾取和放置大型产品时用于抬举重物的大型机器人。工业机器人无需人机交互即可移动非常大的物体，并且操作方式可控性高，因此可帮助制造商提高安全性。工业机器人通常在电压电平介于 400V 至 600V 之间的交流域中运行，这是大型制造工厂中常用的交流电压电平。电流电平通常介于 35A至 250A 之间，具体取决于机器人在工厂内所移动的物体。电流检测通常在机器人附近的机柜内进行，因此在这些系统中，空间不是问题。通常，电流监测与电机控制机器人的相位相同。鉴于工业系统中存在高电压，通常需要通过隔离来分隔对低压电路系统和人类都有危险的高电压电平。如今，电流检测通常通过霍尔效应电流传感器（例如 TMCS1123）或隔离式放大器（例如 AMC1306）来完成。

工业机器人中需要进行电流检测的另一个常见位置是线圈驱动器制动器释放单元。线圈驱动器用于在移动接头的电机停止后释放制动摩擦片，或在发生紧急事件的情况下提供动态停止。线圈驱动器中的磁场使两个由弹簧承载的摩擦片彼此远离，以便转子可以自由转动。当电流停止流动时，在承载弹簧的作用下，两个制动摩擦片相互挤压，使转子停止转动。图 2 展示了制动器释放单元线圈驱动器中使用的低侧电流检测。低边电流检测可选择的电流检测器件较多，但由于线圈的电感特性，电流检测放大器的输入在开关期间可能会受到负电压的影响。在这种情况下，电流检测器件需要能够承受负输入电压。

图 2. 制动器释放单元线圈驱动器中的低边电流检测

结论

总之，协作机器人和工业机器人通常都使用电流检测来监测各种机器人中电机的同相电流。主要区别在于隔离需求、功率级别和机器人的抬举重量，因此对电流检测器件的要求有所不同。工业机器人需要在线圈驱动器中进行电流检测，以便制动和停止电机。协作机器人通常不需要隔离，功率级别不超过 2.0kW，通常抬举的有效载荷为6kg 到 25kg。虽然工业机器人通常需要隔离，但其功率级别可低至 3kW，也可高达并超过 125kW，并且可以抬举 20kg 至几千千克的重物。

备选器件建议

INA241B 是一款高精度模拟电流检测放大器。INA241B 可用于高压双向应用，配置有 1.1MHz 带宽，从而在 H 桥应用内提供快速响应时间和精密的内嵌式控制。INA241B 可在 –5V 至 110V 的共模电压下测量电流，并可承受–20V 至 120V 的电压，因此 INA241B 适用于很多系统。

INA253 或 INA254 器件是超精密电流检测放大器，具有集成式低电感、小于 15ppm/°C 的温漂，并分别具有2mΩ 或 400μΩ 精密分流电阻以及 0.1% 或 0.5% 的精度。INA253 限于在 TA = 85°C 时需要小于 ±15A 连续电流的应用，而INA254 限于在 TA = 85°C 时需要小于 ±50A 连续电流的应用。INA253 和 INA254 集成式分流电阻在内部通过开尔文连接方式连接到 INA240 放大器。INA253 或 INA254 提供了 INA240 放大器的性能优势，并具有精密分流电阻，可实现小于 0.2% 或小于 0.5% 的未校准总系统增益精度。

INA281 可用于高电压应用，例如电机中的高边电流检测。INA281 可在 –4V 至 110V 的共模电压下测量电流并承受 –20V 至 120V 的电压，因此适用于电压具有负摆幅的各种应用。

可选择使用 INA381 进行低边检测。该器件是一款成本优化型电流检测放大器，具有集成比较器，可减小 PCB 尺
寸并简化设计。

表 2. 备选器件建议

表 3. 相关的 TI 应用简报