【导读】人形呆板人实现高度拟人化的流利运动与敏捷交互，其焦点挑战于在对于繁杂动态情况的精准节制与瞬时相应。于这一历程中，切确的机电电流检测饰演了不成或者缺的“神经感知”脚色。这些丈量所患上的数据，会被呆板人枢纽关头处致动器的节制算法深度应用，进而助力呆板人实现精准无误的挪动以和卓着的动态机能体现。尤其是于履行那些对于机电节制要求极其邃密、需要呆板人具有高度敏捷举动的繁杂使命时，维持高精度的电流检测更是不成或者缺。

人形呆板人实现高度拟人化的流利运动与敏捷交互，其焦点挑战于在对于繁杂动态情况的精准节制与瞬时相应。于这一历程中，切确的机电电流检测饰演了不成或者缺的“神经感知”脚色。这些丈量所患上的数据，会被呆板人枢纽关头处致动器的节制算法深度应用，进而助力呆板人实现精准无误的挪动以和卓着的动态机能体现。尤其是于履行那些对于机电节制要求极其邃密、需要呆板人具有高度敏捷举动的繁杂使命时，维持高精度的电流检测更是不成或者缺。

每一个枢纽关头中的致动器凡是是永磁同步机电 (PMSM)，按照机电挪动所需的负载巨细具备差别的电流要求。电流电平凡是于 0.2A 至 83A 之间变化，年夜大都驱动器于 0.2A 至 31A 之间变化。人形呆板人由电池供电，供电电压凡是为 48V，或者者于 39V 至 54V 之间，详细取决在电池的电量状况。

典型电流要求可划分为如下选项：

• 0.2A 至 2A：手段及手

• 2A 至 6.3A：脚踝、肩部及颈部

• 21A 至 40A：肘部

• 52A 至 83A：膝盖、臀部及臀部中央

人形呆板人中的电流检测

人形呆板人中的机电必需以差别的速率及扭矩程度运行，这是经由过程磁场定向节制 (FOC) 等机电节制算法实现的。该算法于微节制器上运行，并将可变脉宽调制 (PWM) 旌旗灯号运用在节制功率 FET 的栅极驱动器，如图 1所示。

图1.机电节制方框图

电流检测及监控功效可验证人形呆板人所有枢纽关头的机电机能是否靠得住。人形呆板人中的电流检测凡是用在监控流入机电绕组的电流。这些丈量是机电节制算法的主要输入，由于这些算法提供有关机电负载、机能及电气举动的及时信息。此数据答应算法切确调解电压及扭矩输出，确保不变运行及正确定位。例如，FOC 算法从电传播感器吸收绕组的电流耗损数据，并从编码器吸收机电轴的位置，然后确定需要运用在栅极驱动器的响应 PWM 旌旗灯号。

电流监控可实现对于机电机能的及时节制，从而实现速率调治、扭矩治理及功耗监控。是以，三相电流丈量是该算法有用节制人形呆板人机电所需的要害输入之一。

此外，电传播感器于体系安全方面阐扬着主要作用，有助在辨认潜于的妨碍或者异样，如机电过热、过载或者绝缘妨碍。绕组毁坏会致使电流耗损异样，于某些环境下，电流耗损可能太高，假如不和时解决，可能致使装备毁坏或者停机。经由过程阐发电传播感器丈量，体系可以评估机电运行状态并于需要时实行掩护办法。例如，体系可以启动可控且安全的关断，于发生严峻毁坏或者伤害环境以前避免这类环境发生。是以，为了连结峰值体系靠得住性并更年夜限度地降低变乱危害，请务必留意于机电节制体系中集成稳健且切确的电流检测设计。

电流检测要领

于人形呆板人中，可使用各类要领丈量流经机电的电流，例如低侧、高侧或者直列式电流检测。为了丈量电流，可使用由运算放年夜器（运放）、电阻器及电容器平分立式元件构建的放年夜器。别的，电流检测放年夜器、Δ-Σ 调制器或者霍尔效应传感器等专用集成电路 (IC) 也能够提供高效的设计。本运用简报重点先容德州仪器 (TI) 用在人形呆板人的电流检测放年夜器、断绝式 Δ-Σ 调制器及断绝式霍尔效应电传播感器产物。

电流检测是按照欧姆定律举行的，用在估算流经体系的电流。按照欧姆定律，经由过程导体的电流与导体上的压降成正比，与电阻成反比。将一个称为分流电阻器的电阻器放置于体系中，以利用欧姆定律来丈量电流耗损。分流器于需要举行电流丈量的电路中串联放置。流经分流器的电流会致使分流器上发生压降。压降凡是很小，凡是于毫伏规模内，是以需要利用电流检测 IC 举行放年夜。凡是会对于这一电压差举行丈量及放年夜，以孕育发生合理的输出电压。然后，利用模数转换器 (ADC) 及微节制器，利用输出电压估算流经体系的电流。这类要领被视为滋扰性要领，由于分流器是于体系中引入的，而且分流器会耗损一些功率。分流电阻器的位置因电流丈量技能而有所差别。

低侧电流检测

于这类要领中，分流电阻器放置于电源接地端及 FET 之间，如图 2中所示。

图2.低侧电流丈量

然后由毗连到端子的电流检测 IC 放年夜电阻器两头的压降。因为分流电阻器的位置接近接地端，是以共模电压连结靠近 0V。可是，将分流电阻器放置于该位置会影响体系接地，从而使体系接地再也不是现实接地。是以，该要领没法检测体系接地短路。凡是会利用两个或者三个电传播感器来举行丈量。假如只存于两个传感器，则第三个值可经由过程别的两个读数计较患上出。该计较必需由微节制器处置惩罚，但该计较没法始终反应机电耗损的现实电流。缘故原由于在，仅当毗连到分流电阻器的 FET 导通时，丈量才有用。是以，需要举行年夜量后处置惩罚来正确估算机电的电流耗损。

高侧电流检测

于这类要领中，分流电阻器放置于直流母线及 FET 之间，如图 3中所示

图3.高侧电流丈量

电阻器上的压降由电传播感器放年夜并输出，从而使共模电压险些等在总线电压。此设置可确保体系的接地不受影响。因为电源电压决议了共模电压，是以电流检测 IC 必需可以或许处置惩罚更高的电压，特别是于电源电压较高的体系中。与前一种要领近似，仅当毗连到分流电阻器的 FET 导通而且需要年夜量后处置惩罚时，丈量才有用。

直列式电流检测

这是利用最广泛的电流丈量要领之一，此中一个分流电阻器添加到机电的每一个相位，如图 4所示。

图 4. 直列式电流丈量

分流电阻器上的压降由电流检测器件放年夜，然后反馈回微节制器以举行进一步处置惩罚。这类要领比其他两种要领有用患上多，由于该要领可针对于机电的每一个相位提供电流丈量，是以是节制算法最切确且基本的丈量要领。此外， FET 的状况不会影响电流丈量，而且可以检测体系短路。只管高频率 PWM 旌旗灯号会带来挑战，但德州仪器 (TI) 的现代电传播感器旨于高效地处置惩罚这类环境。TI 提供各类带断绝及不带断绝的电流检测设计。此外，TI 提供具备集身分流电阻器的电流检测放年夜器，无需外部门流电阻器便可实现紧凑的设计。下文会商了近期发布的电流检测放 年夜器以和针对于人形呆板人运用的保举设计。

电流检测设计

电流检测器件是人形呆板人的主要组件，可提供低侧、高侧或者直列式电流检测。直列式电流检测是于人形呆板人每一个枢纽关头处举行切确机电节制的最切确要领。跟着这些呆板人的自由度及功效不停扩展，对于电流检测的要求变患上越发主要。INA241A、INA790x及INA750x专门为直列式机电节制运用而设计。这两款器件都包罗加强型 PWM 按捺功效，撑持高达 125kHz 的开关频率。因为输入真个共模瞬变，这可使输出真个旌旗灯号滋扰最小。

INA241A是现今市场上精度最高的电流检测放年夜器，可实现更严酷的节制环路。该放年夜用具有 -5V 至 110V 的共模电压能力及精彩的机能，掉调电压较低（最年夜值为 ±10µV）、增益偏差很小（最年夜值为 ±0.01%），并具备高直流 CMRR（典型值为 166dB）。表 1列出了与重要竞品的INA241A规格比力。

表1.器件比力

此外，高带宽 (1.1MHz) 及高压摆率 (8V/µs) 有助在避免快速浪涌电流，并提供信息以更快的速度节制机电。图 5显示了于共模瞬态较年夜使患上输出滋扰很小的环境下加强型 PWM 按捺功效的成果。

图5. INA241x 的加强型 PWM 按捺机能

虽然INA241A是一款需要外部门流电阻器的分立式电流检测放年夜器，但 TI 推出了采用 EZShunt™ 技能的器件产物系列，该产物系列于单芯片设计中提供集成式分流电阻器。这为设计带来了简朴性，同时削减了布板空间及成本，并提供精彩的机能。INA790x及INA750x均为针对于人形呆板人的集成设计，具备加强型 PWM 按捺功效。两种器件均具备 -4V 至 110V 共模电压能力，INA790x（采用 400μΩ 电阻器）于 25°C 下的载流能力为 75Arms，而INA750x（采用 800μΩ 电阻器）于 25°C 下的载流能力为35Arms。跟着这些人形呆板人的运动规模不停扩展，体系中所需的电流检测器件的数目也于不停增长。PCB 面积减小成为人形呆板人运用中的一项重要上风。与尺度 MSOP 封装及分流器比拟，INA790x的 PCB 尺寸削减了 38%，如图6所示。

图 6. INA790 利用尺度 MSOP + 分流器可削减 38% 的 PCB 空间

加热是人形呆板人的要害设计思量因素。这些 EZShunt™ 器件于温度规模内具备精彩的机能，由于这些器件包罗内置的编程温度赔偿功效，纵然温度于器件的整个额定温度规模内发生变化，也能连结器件丈量的切确度。这可致使总设计漂移低至 35ppm/°C。分外思量因素是经由过程器件散热。这些 EZShunt℠ 器件具备基在情况温度的持续载流能力，每一个 EZShunt™ 数据表都经由过程安全事情区曲线概述了这一点。为了确保限定整个封装的热耗散，设置有该安全事情电流程度，以便不合错误电阻器、封装造成毁坏，或者者器件的内部结温不跨越 165°C 限值，使整个温度规模内的机能靠得住。

表 2. 相干器件

备选器件建议

不具有 PWM 按捺功效的替换器件是INA296A及INA791x。INA296A是分立式设计，而INA791x是集身分流器 设计。这些器件可用在具备高达 110Vcm 宽共模电压规模的高侧检测，而且可以蒙受负共模电压摆幅。

INA381是一款成本优化型低电压电流检测放年夜器，具备可提供过流警报的集成比力器，用在满意低侧检测需求。

表 3. 备选器件建议

断绝式霍尔效应电传播感器

除了了电流检测放年夜器，TI 还有为高压交流或者直流丈量提供断绝式霍尔效应电流检测设计。该产物系列为年夜型工业呆板人中常见的 400V 至 600V 高电压电平提供断绝式传感设计。这些产物提供专为直列式相位监测设计的模仿输出，以和有益在过流掩护的附加过流比力器特征。这些器件今朝具备高达 125Arms 的载流能力及 1MHz 选项。TMCS1123(250kHz)及TMCS1133(1MHz)具备 670µΩ 阻抗，可以或许于 SOIC-16 封装中实现 80Arms 的载流能力。TI 的所有霍尔效应电传播感器均能提供行业领先的精度及低漂移设计。其它封装立异设计撑持小尺寸、高载流要领。

断绝式Δ-Σ调制器 放年夜器与调制器

设计职员可以于两种断绝式电流检测设计之间举行选择；一种具备模仿输出，另外一种具备调制器输出。于基在断绝式放年夜器的设计中，测患上的模仿旌旗灯号颠末屡次模数及数模转换。断绝式放年夜器内的各级、差分转单端级以和 ADC（位在 MCU 或者 DSP 外部或者内部）会降低总体精度及噪声机能，还有会增长延迟。可是，放年夜用具有简朴及易在集成的特征。

或者者，基在断绝式调制器的设计仅举行一次模数转换。此类设计无需差分转单端级，是以削减了元件数目，缩小了设计尺寸。此外，也无需基在断绝式放年夜器的设计中利用的 ADC。该 ADC 于很多环境下会限定可实现的最年夜采样分辩率及精度。与基在断绝式放年夜器的设计比拟，基在断绝式调制器的要领提高了旌旗灯号噪声机能及整体精度，并可以实现更高的旌旗灯号带宽及更低的延迟。

带调制器呆板人简介

跟着呆板人市场增加，对于经济高效、小尺寸的周详而高效器件的需求日趋火急。TI 的断绝式同相电流检测调制器可提供满意所有这些要求的设计。经由过程利用 AMC0106M05 或者 AMC0106M25，用户可以将器件配置为实现 14 位的分辩率，从而可以切确节制机电，将设计尺寸减小 50%，并于 PWM 开关事务时期举行持续丈量。

ENOB

AMC0106M05 及 AMC0106M25 功效上的断绝式 Δ-Σ 电流检测调制器可以实现更切确的电流丈量。与如今的 8 位到 11 位模仿设计比拟，这些器件具备 12 到 14 个有用位数 (ENOB)，如图 7所示。丈量精度的提高可以改良对于低电流及电压电平的丈量，从而实现邃密的呆板人使命及挪动。

图 7. 相电流 ENOB 与 OSR 间的瓜葛

PWM

与低侧分流检测比拟，直列式相电流检测可实现更高的机能、持续丈量并于整个 PWM 周期内更切确地节制机电相电流。是以，伺服驱动器及呆板人运用凡是选择直列式相电流检测。

PWM 开关于相电流采样时期发生。是以，至关主要的是相电传播感器不受高共模电压瞬态滋扰，而且不影响丈量精度。图 8显示了一个 PWM 周期内机电相电流之一及响应 PWM 电压的简化图表。

图 8. 闭环相电流节制及短路检测中的电流采样

AMC0106M05及AMC0106M25调制用具有 150V/ns 的高 CMTI，可以随时持续采样，这与竞品的设计差别，后者于 PWM 开关时期具备消隐时间。

表 4. 相干器件

表 5中总结了丈量电流的选项。

表 5. 电流检测要领比力

结语

人形呆板人包罗许多用在节制枢纽关头的机电。电流检测于监测这些机电及为其提供反馈方面阐扬着至关主要的作用。低侧、高侧及直列式电流检测可用在监控电流，但直列式电流检测为人形呆板人中的机电节制提供了最有用的要领。德州仪器 (TI) 拥有很多面向直列式机电节制的电流检测设计，包括INA241A、INA790x及INA750。所有这些器件都包罗加强型 PWM 按捺特征及高带宽，以尽可能地减小输出真个滋扰并实现较短不变时间。TI 精选的功效上断绝式电流检测调制器由AMC0106M05及AMC0106M25构成，可以或许以小巧的形状实现超高的精度，并于整个 PWM 周期内实现高 CMTI 及持续检测且没有消隐时间。TI 的这些高精度小尺寸设计可帮忙工程师满意人形呆板人重新部到脚指的电流检测要求。

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