48V机器人执行器设计指南

引言

随着使能技术日益成熟且成本效益不断提升，机器人系统正越来越多地集成到各类应用之中。其中一种关键的架构选择是采用 48V 至 60V 电池供电。这种电压既能实现高功率密度设计，又不会超过对附近人员构成危险的电压水平。此外，由于机器人经常需要在人们附近或周围工作，因此需要增设标准化的安全要求与故障监控功能。国际标准 IEC 61508 定义了安全完整性等级（SIL）。其中，SIL 2 与 SIL 3 等级要求具备多种安全功能，以维持系统的安全状态。这些功能与 ISO 26262 标准中定义的汽车安全完整性等级（ASIL）所规定的安全机制具有对应性。

任何机器人系统都离不开一个关键组成部分：可靠且精确的执行器，以满足高层级运动规划轨迹的运动要求。执行器的性能在很大程度上取决于执行器或电机构造、顶层控制固件的配置，以及底层控制电路的效率、精度和可靠性。一个完整的执行器或电机驱动板，其核心组件包括：微控制器、栅极驱动器、电流传感器和位置传感器。图 1 的框图展示了一种机器人伺服关节架构。

图1:机器人伺服系统框图

对于感测功能而言，延迟、精度和带宽都是至关重要的性能指标。在磁场定向控制（FOC）中，信号延迟与测量误差会导致转矩纹波增大，进而影响运动的平滑性，并降低电驱动系统的效率。高精度的电流与位置感测功能，则有助于实现运动更平滑、重复性更佳的控制效果。在低边感测应用中，电流感测放大器的带宽和建立时间会限制开关频率。而提高开关频率则可以带来双重好处：一方面可降低电流纹波，从而减小转矩纹波；另一方面，允许采用容量更小的直流母线电容，有助于缩小电路尺寸、降低实现成本。此外，若控制环路计算能力允许，更高的开关频率还可提升控制频率，从而构建响应更快的系统。

针对图 1 中的所有蓝色模块，Allegro 均可提供创新产品解决方案。Allegro AMT49100 与 AMT49101 是两款 48V 三相电机驱动器（简称 AMT49100/1），具备汽车安全等级认证，非常适合机器人伺服应用。Allegro 创新的半导体工艺，可使元器件在高达 80V 的电源电压下稳定工作。这一额外的安全裕量确保在电池充满电或系统瞬态过程中可能出现的高电压情况有足够的安全余量。两款元器件均支持硬件 100% 占空比运行。AMT49101 设备的框图如图 2 所示。

图 2：AMT49101 架构框图

如框图所示，AMT49100 集成了三个高性能低边电流感测放大器；而 AMT49101 则集成了一个低压稳压控制器和两个低边电流感测放大器。通过外接 MOSFET 和电感，AMT49101 可为微控制器及其他传感器提供电源。该器件还具备内部可调的栅极驱动强度，有助于降低电磁干扰（EMI），并减轻功率开关的应力。电荷泵稳压器利用高边漏极电压感测（VBRG）提供的电压基准，来驱动高边 MOSFET，并支持 100% 占空比运行。低边 MOSFET 则由栅极驱动电源输出（VREG）供电。来自相位比较器模块的 SAL、SBL 和 SCL 输出，可用于实现主动死区补偿。串行外设接口（SPI）提供了与其他部件的通信接口，便于进行 EEPROM 配置和诊断信息读取等操作。所有这些特性共同造就了一款既满足运行要求，又能提供安全监控功能的器件，有助于在顶层模块上实现恰当的安全机制。

本应用笔记梳理了将 AMT49100/1 集成至机器人执行器设计时需考虑的若干要点。后续章节将重点介绍 AMT49101 的稳压输出、电流感测放大器的优势、栅极驱动的优势，并对器件的部分安全监控功能进行简要分析。

01可编程逻辑电源线性稳压控制器

AMT49101 集成了一个线性稳压控制器，其逻辑电压可通过编程设置为 3.3V 或 5V。该芯片仅集成了控制器部分，因此设计人员需根据系统的功耗需求，选择合适的外置 N 沟道 MOSFET。此外，外置 MOSFET 还可分担热负载，有助于降低 AMT49101 自身的温升。该稳压器可用于为与电机驱动器芯片位于同一电路板上的传感器、微控制器或其他芯片供电。在机器人关节空间极为受限的情况下，这一设计可省去原本所需的额外稳压电路，从而节省宝贵的板级空间。

该线性稳压控制器还集成了过流检测功能，其阈值内部预设为 1V。根据设计，电流感测电阻的阻值可根据电流需求进行适当选择。一个典型的负载可能包括：一个微控制器（60 mA）、两个位置传感器（14 mA）以及一个收发器芯片（10 mA），总电流需求约为 100 mA。如果选择 120 mA 的过流限值，则所需的检测电阻约为 8.3Ω（1V / 0.12A）。对于需要三个分流感测电路，同时又希望使用具备高空间效率的 48V 稳压器的系统，请参阅应用笔记《用于 48V 总线的 Allegro APM81815 降压电源模块：功率损耗与热性能见解（AN296359）》。

笔记链接：https://www.allegromicro.com/-/media/files/application-notes/an296359-apm81815-power-loss-thermal-performance.pdf?sc_lang=en

02集成低边电流感测放大器

AMT49100/1 集成了高性能低边电流感测放大器，有助于实现紧凑、高效的系统设计。电流感测放大器的性能直接影响系统的最高开关频率、转矩纹波和效率。高转矩纹波会导致电机产生与转速相关的振动，这些振动不仅会产生噪声，还会加速关节组件的磨损。转矩纹波还会影响系统对转矩变化的响应，从而在位置、速度和加速度曲线上引入误差。此外，电流纹波幅值的增大也会提高电流波形的峰值，进而导致更高的电阻损耗。后续章节将结合具体实例，介绍该器件的接口方式，以及 AMT49100/1 的若干关键优势参数。

03初始设计

本文以 48V 系统中的 1000W 执行器为例。设计人员可针对标称 20A 电流、并预留 30A 裕量的需求，对电流感测架构进行优化。过流阈值则可设定为 32A。输出由以下公式定义：

公式 1：电流放大器公式

对于 5V 系统，输出电压的动态范围为 0.3V 至 4.8V。器件的增益（AV）可编程设定。在本例中，增益取值 20V/V，对应的输入范围是 -0.11V 至 0.115V。失调电压（VOO）可通过内部调节，默认值为 2.5V。根据这一配置，计算得出的检测电阻为 3.4mΩ。根据 P = I2× R 公式，该设计所需的电阻功率额定值应大于 3.5W。如果系统可能出现更高的瞬态电流，可选用更高功率等级的电阻，以确保其不会承受过大应力。

该器件内置过流检测功能，其阈值以 300mV 为步长进行设置。如果系统需要额外的电流传感器，可选用集成导体式电流传感器。由于集成导体式电流传感器本身具备隔离特性，因此可放置于同相位置或功率电桥的高边。此类器件还具有极低的导体电阻，可有效降低损耗，并配备专用的过流故障输出引脚。可优化分流电阻的阻值以匹配电流感测放大器，再结合磁电流传感器，可确保设计在安全范围内稳定运行。

04精度与时序

AMT49100/1 电流感测放大器的带宽为 1MHz，最大建立时间为 1µs（建立时间定义为输出信号稳定至最终值 40mV 以内所需的时间）。在 20V/V 增益和 0.4mΩ 电阻的条件下，这相当于最终电流稳定在约 500mA 以内。由于分流电阻体积较大，在系统中仅使用两个会更具优势。AMT49101 恰好配备了两个专用的电流感测放大器。通过简单的设计技巧，即可将仅使用两个分流电阻所带来的误差降至极低。要确定全部三相电流，第三相电流可根据以下公式计算：

公式 2：电机电流守恒公式

电流仅在低边 MOSFET 导通的瞬间进行采样。占空比越高，工作电压越接近伺服驱动的直流母线电压，但低边 MOSFET 的导通时间相应缩短。若导通时间过短，电流感测放大器可能无法在该时间窗口内完成有效读取。100% 占空比是一种特殊情况，通常通过空间矢量脉宽调制（SVPWM）实现。当某一相为 100% 占空比时，必有另外一相为 0% 占空比（意味着无电流通过）。因此，即使仅能读取其中一相电压，第三相电流仍可通过计算得出。但当驱动器通过全部高边或全部低边 MOSFET 导通来制动电机时（如图 3 所示），则该条件不成立。

图 3：SVPWM 占空比调制

在低于 100% 占空比运行时，可实现的最大占空比受限于电流传感器的响应速度。以 20kHz 开关频率为例，每个周期的时间为 50µs。从发出低边信号到驱动器响应之间存在一段延迟，即死区时间，通常为数百纳秒量级。死区时间之后，还需考虑电流感测放大器的建立时间。该器件的最大建立时间为 1µs，可实现约 97% 至 98% 的极大占空比。若需要全占空比范围运行，可从 97% 直接跳变至 100%。较短的建立时间使得设计能够充分利用大部分可用电压范围，从而获得更优的功率密度。

05灵敏度误差

从器件精度来看，AMT49100/1 在工作温度范围内的最大增益误差为 ±1.6%，其温度系数为 ±50 ppm/°C，这意味着在 125°C 时，最大增益误差约为 2%。如果各通道之间增益误差匹配良好，则不会产生转矩纹波，但估算的输出转矩与实际输出可能存在偏差。如果对标准增益误差进行校准，则温度引起的 0.4% 误差将导致转矩估算误差仅约为 1%。各通道之间的增益误差不匹配，则会在电机电气频率的 2 倍频处引入转矩纹波。由于电流感测放大器在物理位置上靠近，温度差异应极小，从而降低了由不匹配引起的转矩纹波。

06失调误差

在各类电流感测误差中，失调误差是导致转矩纹波的主要因素。转矩纹波出现在与器件电气频率相同的频率上。输出失调误差的典型值为 ±25mV。电机未运行时可对该值轻松进行校准。当存储中设置了 YOL 位，感测放大器的输入端被短接，以便直接测量放大器的输出失调电压。在双分流电阻系统中，由于第三相电流的计算会叠加其他两相的误差，因此对失调误差进行校准尤为重要，如以下公式所示：

公式 3：双分流系统计算相电流误差

校准完成后，温漂成为主要的误差来源。AMT49100/1 具有极为稳定的失调温漂特性，最大值仅为 135 µV/°C，在 125°C 时，最坏情况下的变化为 13.5 mV。由于所有电流感测放大器均集成于同一封装内，它们的工作温度基本相同。

07栅极驱动性能

正如高性能的电流感测放大器一样，电机驱动器也需要可靠的栅极驱动性能。每个驱动器的电流能力决定了可驱动 MOSFET 的功率等级以及开关频率。更高功率的 MOSFET 通常具有更高的栅极电荷规格。该栅极驱动器的峰值源电流高达 2400 mA，峰值灌电流高达 4200 mA，可实现快速导通与关断。然而，并非所有系统都需要如此大的峰值电流输出。

为避免损坏 MOSFET 或驱动器芯片，许多设计会在栅极回路中加入限流电阻。AMT49100/1 采用电流控制型栅极驱动器，无需外部电阻即可控制栅极电荷的压摆率。图 4 中的绿色轨迹展示了该器件通过两个电流电平控制栅极驱动压摆率的方式。这种方法优势明显：较慢的压摆率有助于系统满足 EMI 要求，但同时也会增加开关损耗。关于如何在系统中设计这一功能的详细论述，请参阅 Allegro 应用笔记《智能栅极驱动器应用中 MOSFET 压摆率控制的实用考量》。该应用笔记可帮助机器人系统设计人员与集成商在效率与其他性能指标之间找到平衡点。

笔记链接：https://www.allegromicro.com/-/media/files/application-notes/an296347-mosfet-slew-rate-control.pdf?sc_lang=en

大电流栅极驱动器还能支持更高的开关频率，从而提升系统效率。若功率器件具有低导通电阻（RDS(on)），提高开关频率可以减小直流母线电容的容量，进而缩小电路板尺寸。开关频率最大值与栅极电荷之间的关系如图 5 所示。图中每条曲线对应不同的平均电流消耗，其计算公式如下：

公式 4：开关频率下的平均电流消耗

MOSFET 开关过程中未经校准的死区时间会降低系统效率。死区时间过长，电流在电机内部循环并产生热量，导致效率下降；死区时间过短，则可能发生直通，造成功率器件承受应力。此外，MOSFET 的导通与关断时间会随温度变化，因此理解并考虑这些变化至关重要。相位比较器模块能让系统实现主动调整。该比较器监测电机三相的电压状态，其阈值可编程，默认设置为直流母线电压的 50%。通过监控这些线路的状态，设计人员可以观察到电压降至某一阈值以下的时刻（这表明高边开关已关断），并据此主动调整系统的死区时间。

图4：智能栅极驱动器、栅极电荷控制：使用智能栅极驱动器的 MOSFET 导通（左）与关断（右）特性

图5：不同平均电流水平下，最大开关频率与栅极电荷的关系

08位置感测考量因素

位置传感器对于机器人关节的 FOC 控制环路和位置控制环路都至关重要。为实现电机的最大转矩控制，转子和定子磁链矢量之间需保持 90 度夹角。为此，系统必须通过转子位置传感器获取电机的电气角度。位置信号的任何延迟都会增加保持恒定 90 度夹角的控制难度，进而降低电机的效率和最大输出转矩。

同时，为实现精确的轨迹跟踪以获得期望的运动曲线，机器人关节的位置信息也必不可少。随着机器人执行器设计日趋紧凑，设计人员需要寻求成本低廉、体积小巧且对日益增强的干扰信号具备鲁棒性的解决方案。磁性角度传感器成本低、尺寸小，但杂散磁场可能在其输出中引入误差。电感式角度传感器分辨率高，但集成所需空间更大。无论何种需求，Allegro 均可提供基于这两种技术的芯片解决方案，助力客户实现设计目标。

09安全监控功能分析

人形机器人领域尚无完全明确的安全标准，但可以从其他系统中借鉴成熟模式来理解其需求。功能安全是众多系统的关键基石。工业标准（IEC 61508, SIL）与汽车标准（ISO 26262、ASIL）虽有相似之处，但并非完全相同。AMT49100/1 依照 ISO 26262 标准开发，可支持汽车安全相关系统达到 ASIL D 安全等级。尽管该器件未获得 SIL 等级认证，但其集成的安全监控功能以及可靠的设计流程，使其成为设计人员依据 IEC 61508 标准实现或证明系统级 SIL 等级的理想选择。AMT49100/1 的一些关键安全监控功能包括：

VDS 监控与短路检测

该器件监测外部 MOSFET 的漏源电压，可检测短路状况。这是一项非常重要的安全特性，能够在关节激活前或激活期间检测到故障，从而防止灾难性故障的发生，避免电机或驱动器受损。

欠压与过压检测

监控 VBB、VREG 和 VBRG 电源，确保器件在安全电压范围内运行。

过温检测

内部温度监控可保护器件免受热损伤。

栅极驱动诊断（VGS 欠压）

监控外部 MOSFET 的栅源电压，确保其得到正确驱动。

LSS 连接断开检测

检测低边源极连接可能存在的问题。

开路负载检测

帮助识别电机绕组连接的问题。

这些诊断功能为系统控制器提供必要信息，用于检测故障、评估系统健康状态并采取相应的安全措施，从而显著提升机器人系统的整体鲁棒性与可靠性。与采用分立元件或软件实现的方式相比，将这些故障诊断功能集成在芯片内部，可大大简化安全认证流程。

结语

随着机器人系统日益普及和复杂化，市场对高性能、高性价比且具备关键安全功能的执行器需求愈发迫切。采用 48V 至 60V 的电源架构，可在确保人员安全的前提下实现高功率密度。对于在人类周围运行的机器人系统，还必须严格遵守一系列仍在不断完善的安全标准。设计人员若能选用针对不同功能安全标准设计的器件，并将这些安全监控功能集成到系统中，便可获得显著的先发优势。先进控制算法（如 FOC）所要求的精确、可靠的运动控制，从根本上取决于执行器的核心组件：微控制器、栅极驱动器，以及高精度的电流和位置传感器。

正如本文所论证，延迟、精度和带宽等关键传感器参数，直接影响转矩纹波、运动平滑度和系统整体效率。Allegro 的 AMT49100/1 等创新解决方案，正是为应对这些挑战而生。该系列器件集成了高性能电流感测放大器、智能栅极驱动器和可靠的安全监控功能。这些特性不仅能优化开关频率、功率密度等运行参数，更为满足下一代机器人系统严苛的安全完整性等级要求铺平了道路，最终助力实现更安全、更高效、更精准的机器人应用。