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Vicor DCM-chip協助實現機器狗新模態

Vicor公司日前宣布其DCM3623電源模組成功搭載於中國本土高科技公司雲深處科技開發的,具有外觀靈巧智慧、可快速移動、高動態平衡能力的機器狗「絕影」機器人。 「絕影」機器狗整體更加靈巧智慧,負重能力在10公斤左右。在機器狗有限的內部空間條件下,良好的散熱和輸出穩定性成為機器狗可靠運作的關鍵因素之一。因此,搭載輕量化的感測器和內部元件,具有高轉換效率的電源模組成為系統設計工程師的首要考慮。VicorDCM3623 電源模組小型化、輕重量、高轉換效率的特點,滿足了新一代機器狗的系統設計需求。 Vicor DCM3623實現了兩級轉換:80V鋰電池電壓轉換為母線電壓後再進行二次轉換為系統設備供電;功率高達240W、高達93%的峰值效率,同時具36.38×22.8×7.26mm、輕重量、ChiP封裝 Vicor DCM3623為首創中小功率標貼電源模組(SM-Chip),將晶片製造概念引入電源模組的生產,實現全自動化生產,相比於 Vicor 之前的半自動生產,該系列產品的價格得以大幅降低,產品一致性得到進一步提升,更適合規模化商業應用,讓機器狗的身影出現在電力巡檢、治安排爆、礦井探察,野外探險等一線工作中將成為可能。 專注各自所長,以應用為導向,讓系統應用工程師有更多的精力關注產品特性,而無需過多考慮供電系統本身,成為 Vicor 電源工程師矢志不渝的初心。相信隨著技術合作的不斷深入,產品效能將不斷提高,惠及更多產業應用,雲深處科技也將有望成為中國協作機器人產業的領跑者。
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結合軟/硬體聯網控制 四足玩具機器人腳步靈活

本文以四足玩具機器人為例為例,結合Wi-Fi及攝影鏡頭,讓操作者能夠以自行寫的網頁介面來控制四足玩具機器人,同時能夠藉由網路攝影鏡頭ESP32-CAM透過Wi-Fi模組所發出的熱點連結到網頁上,可以看到四足玩具機器人移動時的即時影像。機器人的外觀能夠隨個人所喜歡的樣式變,透過3D軟體設計與3D列印機就能製作出想要的外殼,讓操作者都能夠擁有屬於自己獨一無二的四足玩具機器人。至於遙控方面,網頁設計遙控人機介面,不必擔心遙控器不見,也能夠克服使用App作為遙控裝置所導致的手機容量不足或是手機版本不相容的問題。至於機器人的主控核心,則以盛群半導體(Holtek)的HT32F52352晶片為控制核心晶片,搭配PCA9685脈寬調變控制晶片輸出控制訊號,將裝設於機構關節上的RC伺服馬達進行轉動角度之控制,實現四足玩具機器人設計開發之目的。 機器人三點不動維持平衡 此四足機器人的移動必須隨時保持移動平衡,否則有摔倒的可能。機器人在移動時先提起一隻腳,靠另外三隻腳支撐身體,輪流動作以達到移動效果。而三角形重心求法為調整四足玩具機器人平衡時所運用之運算原理,不管是在移動或是靜止狀態時,若是讓四足玩具機器人以三角形面求出的重心落在三角形外側,則無法使機器人保持平衡。 1.三角形重心求法:以三角形三個邊的中點與各對角的拉線互相交會的點(G)為三角形重心。 2.三角形面保持平衡方法:三角形面的重心若未落在三角形外側,則此面必能保持平衡。 圖1 四足玩具機器人移動原理圖 圖1為四足玩具機器人移動原理圖,四足玩具機器人移動以最簡單的腳步移動動作。操作時必須確保四足玩具機器人在每次移動的時候都有三隻腳踩在地面上,而四足玩具機器人由三角形求法求出的重心必須放在由三隻腳形成的三角形範圍內。如果正在移動或是靜止狀態下,四足玩具機器人的重心離開了三角形,四足玩具機器人將失去平衡而跌倒。圖2、圖3則為機器人站立及Say Hi腳部關節說明,藉由圖中的表格能看出調整每個馬達角度,讓馬達達到不同的角度帶動四足玩具機器人的效果,以變化各種動作。 圖2 四足玩具機器人站立腳部關節說明圖 圖3 四足玩具機器人Say Hi腳部關節說明圖 系統控制關節動作概覽 圖4為四足玩具機器人系統架構圖,系統使用32位元微控制器HT32F52352為控制核心,並透過I2C的傳輸方式將每個關節所需求的訊號,透過PCA9685脈寬調變產生晶片進行控制訊號輸出,以控制RC伺服馬達旋轉角度,完成機器人各關節的轉動需求。而14顆伺服馬達在四足玩具機器人上的相關位置,由PWM產生器控制14顆伺服馬達帶動四足機構來完成移動,與需求動作表現的控制效果。機器人上有一攝影鏡頭是透過ESP32-CAM控制模組所發出的熱點,傳輸影像於自行設計的網頁人機介面端。當機器人移動時可由網頁端按鈕按下,然後可下送命令到晶片控制端,經由運算及順序判斷,將控制訊號傳遞給PCA9685的PWM產生器,輸出訊號給各關節RC伺服馬達,帶動四足機構以實現動作任務。 圖4 四足玩具機器人系統架構圖 四足玩具機器人硬體架構(圖5)中以HT32F52352晶片作為主控核心,配合資料傳輸模組、PWM產生器PCA9685、RC伺服馬達,組成四足玩具機器人移動控制,並藉由ESP32 Wi-Fi模組所發出的熱點,可由任何可聯網之個人電腦或行動裝置,透過網頁控制介面端及時進行操作及監控。此外,四足玩具機器人運用3D列印技術印製出外觀與腳部關節,至於四足玩具機器人組成所運用到的3D列印零件,結合伺服馬達及Wi-Fi攝影鏡頭模組即能成為四足玩具機器人。 圖5 四足玩具機器人硬體架構圖 此機器人使用HT32F52352晶片為主控核心(圖6),透過UART串列傳輸連結Wi-Fi模組。再藉由Wi-Fi模組將網頁端所發出的指令傳輸到主控核心晶片,並運用I2C方式傳送指令至PWM產生器來控制14顆伺服馬達完成網頁端所選取之動作。圖7是ESP32-CAM Wi-Fi攝影模組,使用到的ESP32-CAM模組是由Wi-Fi電路與攝影鏡頭組合而成。Wi-Fi攝影模組藉此作為控制晶片與網頁控制介面端傳輸橋梁,ESP32是完整的Wi-Fi模組晶片能夠獨立工作,也作為從機搭載於其他主機MCU。 圖6 主控核心電路 圖7 ESP32-CAM控制電路圖 圖8為四足玩具機器人之電源轉換電路,此機器人中擁有許多種不同類型電子元件,包含MCU、金屬齒輪伺服馬達、塑膠齒輪伺服馬達、Wi-Fi攝影模組等需要多種不同電壓之電源供應,包含3.3伏特、5伏特、6伏特三種電壓輸出,3.3伏特用於提供MCU之電源供應,5伏特則提供Wi-Fi攝影模組及2顆塑膠齒輪伺服馬達之電源供應,6伏特為提供12顆金屬齒輪伺服馬達之電源供應。四足玩具機器人中有兩種伺服馬達(圖9),一是金屬齒輪伺服馬達(MG995),另一種是塑膠齒輪伺服馬達(MG90),兩者都由PWM產生器(PCA9685)控制。主要是由網頁控制介面端下達動作指令藉由Wi-Fi模組傳送到控制晶片,再以I2C傳輸協定傳送給PWM產生器來完成指令。 圖8 電源轉換電路 圖9 馬達控制電路 透過Wi-Fi模組聯網控制 四足玩具機器人網路架構(圖10)是透過Wi-Fi模組所發出的熱點,與任何可聯網之個人電腦或行動裝置連結,連結後即可由網頁控制介面端按鈕下送指令到晶片主控核心控制四足玩具機器人。當Wi-Fi模組所發出的熱點與可聯網之裝置連結後即可看到網頁控制介面端,網頁控制介面端可看到LOGO、方向控制頁面、動作控制頁面,及ESP32-CAM所傳輸之攝影機影像。 圖10 四足玩具機器人網路架構圖 操控四足玩具機器人時,程式開始時會先執行基本的設定,並且設定PCA9685的PWM產生器頻率為50Hz,等待使用者從網頁端按下按鈕後,再將收到的命令用以控制伺服馬達,以此完成玩具四足機器人之操作(圖11)。 圖11 主控核心動作流程圖 本網頁端以HTML格式撰寫,將網頁程式碼寫入ESP32-CAM模組中(圖12)。程式會先初始化設定鏡頭,並且建立網頁。當使用者按下網頁按鈕後,會透過UART將從網頁端收到的資料傳送給主控核心晶片進行控制四足機器人的腳步移動效果,同時可藉由網頁控制介面端觀看即時影像。 圖12 ESP32-CAM操作流程圖 此四足玩具機器人共可完成19項動作,包含上、下、左、右、前進、後退、左移、右移、左轉、右轉、站立、Say Hi、休息、躺下、舞姿一、舞姿二、舞姿三、轉圈圈、匍匐前進等。因其動作彈性且以網頁人機介面控制,除不需要遙控器,使用者也毋須額外下載App,在生活中可作為孩童與長者之玩具與陪伴,並能用於環境安全監測。 (本文作者陳宏明為建國科技大學電子工程系副教授;王奕偉/陳威志/王銘典為建國科技大學電子工程系學生)
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MOSFET/封裝設計/切換頻率最佳化 服務型機器人驅動再進步

服務型機器人是高度複雜的系統,其中強調設計日趨精巧的極限,以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小,技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理,是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件,連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否,往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點,其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案,如氮化鎵(GaN)。 圖1 服務型機器人近年廣為工業使用 服務型機器人常見系統架構 在大多數情況下,最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件,但以上架構仍可作為良好的系統概述。 主CPU是中樞大腦,執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調,以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令,並將狀態回報主CPU(圖2)。 圖2 常見機器人系統架構方塊圖 大多數服務型機器人都是以電池驅動,以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器,可直接連接交流電網。在這類情況下,機器人內部包含充電器,以產生高電壓DC位準,並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢,特別是需要連續工作的機器人,因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。 如前所述,現今大多數機器人系統為電池驅動,因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全),同時也提供保護,避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中,安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能,例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外,電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V),向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器,或使用線性穩壓器。 機器人配備無線通訊模組,能夠與其他機器人或控制單元等系統互連,即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下,本機控制器負責通訊程序,作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。 越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面,但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧,能夠透過語言與使用者互動,因此需要語音輸入及輸出裝置。 此外,服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境,就需要更多類型的感測器,例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器,或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力,提升了機器人的自主能力,特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。 最後,驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作,設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器;或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求,設計人員將選擇有刷馬達,受益於該類解決方案較低的成本。此外,也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達,以同時滿足效能和成本效益等目標。 簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後,接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能,以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。 加強MOSFET品質因素 減少切換/傳導損耗 最佳化機器人電池壽命方法之一,就是提升機器人馬達的效率,以減少功率損耗。在馬達應用中,傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數,其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容),在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。 若視控制方法而定,便可發現不同損耗。使用同步整流時,如果電流飛輪通過其本體二極體,低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF),因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低;不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題,採用整合式肖特基二極體的MOSFET,可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體),可透過字尾LSI識別,例如BSC010N04LSI。 圖3顯示功率損耗分析,於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V,選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。 圖3 功率損耗分析,顯示高側(HS)及低側(LS)MOSFET及本體二極體(D)損耗的傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗。低側本體二極體損耗主要為傳導損耗,可使用LSI零件降低。 燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗,在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現: 1.低側MOSFET允許軟切換,因此切換損耗可忽略不計。 2.低側二極體的傳導損耗,是迄今為止最主要的損耗來源。 3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體,大約可降低25%的傳導損耗,降低幅度取決於電流位準等系統條件。 切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高,損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET,可大幅降低這兩種損耗;不過損耗不可避免,電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一,特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。 DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝,直接連接金屬封裝及內部的矽晶片,而矽晶片則直接連接底部PCB,盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部,並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中,或可選擇使用散熱器,因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型,也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。 圖4 比較DirectFET和D2PAK封裝的熱阻,DirectFET封裝可在高密度驅動器最佳化熱設計 高切換頻率驅動使馬達控制更精確 工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻,提供比矽替代品更低的導通損耗,以更低電容減少切換損耗,或改善本體二極體逆復原,使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能,例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中,這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。 隨著切換頻率增加,必須調整控制器。其中應考量PWM解析度,以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品,配備高解析度PWM模組,用於此類高解析度迴路用途,特別是在切換頻率增加時。此外,切換頻率升高時,必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式,就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合,其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0,乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX,因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率,可以加強馬達動態,進而實現更精確的控制。 而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作,此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。 圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法,如磁場導向控制(FOC)。 圖5 使用標準ARM Cortex-M0和XMC1300進行餘弦和除法函數的標準化執行時間 傳導/切換損耗最小化 機器人開發技術再提升 工程師重視驅動器的設計參數,以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數,訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統,設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗,並最佳化熱管理。 採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計,提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎,打造切換頻率更高的驅動器,在精度及占用面積等層面提供協助。 (本文作者為英飛凌科技應用工程師)
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