Infineon移动机器人电机控制方案深度解析

在当今科技飞速发展的时代，移动机器人在物流、生产、服务等众多领域的应用日益广泛。电机控制作为移动机器人的核心技术之一，其性能直接影响着机器人的运行效率和稳定性。今天，我们就来深入探讨Infineon的移动机器人电机控制解决方案，具体涉及DEMO_IMR_MTRCTRL_V1和DEMO_ANGLE_SENS_V1这两款开发板。

文件下载：Infineon Technologies 移动机器人电机控制演示板.pdf

1. 方案概述

本方案主要面向设计工程师、技术人员和开发者，旨在为他们提供高度集成且高效的机器人和电池供电电机驱动解决方案。方案的核心目标是为自主服务机器人功能提供演示平台，借助Infineon的组件实现更精确的电机控制，尤其适用于低速运行的场景。

2. 重要注意事项与安全预防措施

2.1 重要注意事项

评估板和参考板仅用于演示和评估，它们并非商业化产品，因此不适合用于可靠性测试或生产。这些板子在设计时虽然考虑了环境条件，但未经过完整的安全、制造和全温度范围或寿命测试。用户有责任确保其使用方式符合相关标准和要求，并且要自行评估板子对预期应用的适用性以及文档信息的完整性和正确性。此外，英飞凌对这些板子及其文档信息不提供任何明示或暗示的保证，用户需自行承担使用风险。

2.2 安全预防措施

在使用这些开发板时，务必注意安全。由于板子的直流母线电位高达1000 VDC，在使用示波器测量电压波形时，必须使用高压差分探头，以防发生人身伤害。同时，板子中的直流母线电容在移除主电源后需要一定时间放电，在对驱动系统进行操作前，需等待5分钟，确保电容放电至安全电压水平。此外，板子在测试过程中，散热片和设备表面可能会变热，操作时需采取必要的防护措施。只有熟悉驱动、电力电子和相关机械的人员才能对系统进行规划、安装、调试和维护。并且，要注意静电防护，避免对板子中的敏感部件造成损坏。

3. 移动机器人与方案的结合

3.1 移动机器人类型

移动机器人主要分为自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）两类。AGV通过激光、条形码、无线电波、视觉传感器或磁带等实现预定路径导航，而AMR则利用自主映射、定位、导航和避障功能，无需外部路径。这两类机器人的运行速度通常较低，因此在电机控制和驱动方面有相似的要求。

3.2 Infineon Mobile Robot (IMR)平台

IMR是一个综合性的机器人平台，可以与各种不同的板子（如传感器、电机控制、无线通信、电池管理等）配合使用。本方案中的DEMO_IMR_MTRCTRL_V1板用于直接驱动IMR中的无刷直流（BLDC）电机，DEMO_ANGLE_SENS_V1板则为电机中的转子提供角位置信息，从而实现更精确的电机控制，特别是在极低速度下。

4. DEMO_IMR_MTRCTRL_V1板详解

4.1 基本功能

该板可驱动一个BLDC或步进电机，支持多种角度传感器选项，包括编码器和基于霍尔效应的传感器。它采用12节锂离子电池供电，但减少电池数量也可运行，不过功率会相应降低。

4.2 接口与通信

板子通过CAN接口进行通信，接收速度信息，并将其作为速度环控制的参考输入。通过双列直插式封装（DIP）开关可以更改CAN地址，因此多个板子可以使用相同的固件在同一总线上运行。

4.3 电机选择

文档中以GL60外转子云台电机为例，该电机具有14对磁极，无需齿轮箱即可实现低速旋转。此外，还需要一个外部J-Link调试器将固件烧录到微控制器中。

4.4 规格参数

• 输入输出：直流输入电压范围为18 - 60 V，标称值为48 V；最大输入电流为10 A；三相FOC输出，每相最大输出电流为5 A（RMS），最大输出连续功率为150 W。
• 控制方案：支持有传感器/无传感器的FOC速度控制，开关频率为20 kHz，采用三个电流分流器。
• 保护特性：具备过流保护（OCP）、欠压锁定（UVLO）保护、DVDD线性稳压器过压锁定（OVLO）保护以及过温关机（OTS）和警告（OTW）功能。
• 最大组件温度：在环境温度为30°C时，电阻、陶瓷电容、薄膜电容、电解电容、MOSFET晶体管、二极管和IC的最大允许温度均小于100°C。
• 尺寸：评估板的宽度为100 mm，长度为88.09 mm，高度为12.25 mm。

4.5 原理图设计

• 主要芯片：板子的主芯片是IMD701A-Q064X128-AA，这是一款高度集成的芯片，包含一个完全可编程的驱动优化的Arm® Cortex®-M0微控制器（XMC1404，主频48 MHz）、一个三相智能栅极驱动器、三个集成增益和偏移生成的电流感测放大器以及一个集成的同步降压转换器控制器和LDO，可实现紧凑的设计，减少物料清单和复杂度。
• CAN接口：通过TLE9351VSJ高速CAN收发器进行通信，可直接与IMD701A电机控制器配合使用，无需电平转换器。可以通过DIP开关（S1）更改CAN地址。
• 三相逆变器：由六个OptiMOS™ 6 ISZ053N08NM6 80 V/5.3 mΩ开关组成，每个相输出连接到卡边缘连接器，用于向电机供电。同时，每个半桥都配备了缓冲电容，所有栅极通过0 Ω电阻连接到IMD701A，用于调试和测量。
• 接口设计：板子通过10针调试接口进行编程，通过卡边缘连接器提供电池电压、相输出电压、角度传感器引脚和CAN接口。卡边缘连接器的设计基于Sullins Connector Solutions的EBC18DCWN-S371插座连接器。

5. 电机选择与应用

由于电机控制板用于AGV/AMR应用，对传动系统的要求通常是低外形尺寸、低重量和低转速。因此，选择了具有高极对数的GL60电机，该电机通常用于云台系统，可在极低速度下实现无齿槽运动。电机具有14对磁极，额定电压为24 V，但制造商建议可以在48 V下运行。电机的直径为69 mm，厚度为22.3 mm，相电感为2.72 mH，相电阻为5.5 Ω。电机通过螺丝安装，电缆可以穿过电机。在电机的联轴器内安装了一个磁铁，用于让顶部的旋转传感器PCB感应电机的机械旋转角度。由于磁铁的磁化方向可能会因安装位置而不同，因此需要在固件中校准电机的偏移位置。

6. DEMO_IMR_ANGLE_SENSE_V1板详解

6.1 角度传感器

由于应用需要低速和从零速开始的扭矩，无传感器方法的性能较差，因此设计了带有TLI5012B E1000的角度传感器PCB。TLI5012B E1000是一款360°角度传感器，通过测量正弦和余弦角度分量来检测磁场方向，内部进行数字处理以计算磁场（磁铁）的角度方向。该传感器是预校准的，校准参数存储在激光熔丝中，启动时熔丝的值会写入触发器，可通过特定应用参数进行更改。此外，内部自动校准算法可提高在宽温度范围和长寿命下的角度测量精度。

6.2 接口模式

传感器支持多种接口模式，包括双向同步串行通信（SSC）、脉宽调制（PWM）协议、短PWM代码（SPC）协议、霍尔开关模式（HSM）和增量接口（IIF）。本方案中使用的是IIF类型（E1000），它模拟了占空比为50%的光学正交编码器的操作，可通过寄存器配置每旋转的步数，旋转方向可通过IFA和IFB通道之间的相移（A/B模式）或IFB通道的电平（Step/Direction模式）来确定。

6.3 原理图与PCB设计

PCB上有IIF和SPI两种接口选项，本应用中仅使用IIF接口。使用IIF接口时，初始角度检测较为困难，因为启动后IIF会传输与实际绝对角度值相对应的脉冲数，微控制器通过这些脉冲获取绝对位置信息。IFC引脚提供指示零交叉的索引信号，需要在微控制器的POSIF接口激活后启动传感器。PCB上有两个长孔，可实现灵活定位，适用于其他应用。

总结

Infineon的移动机器人电机控制解决方案通过DEMO_IMR_MTRCTRL_V1和DEMO_ANGLE_SENS_V1开发板，为移动机器人的电机控制提供了高度集成、高效且精确的解决方案。其在硬件设计、电机选择、角度传感器应用等方面都有独特的优势，能够满足AGV/AMR等移动机器人在低速运行时的电机控制需求。不过，在使用过程中，工程师们一定要严格遵守重要注意事项和安全预防措施，确保系统的稳定运行和人员安全。大家在实际应用中是否遇到过类似方案的挑战呢？欢迎在评论区分享交流。