想象一個類人機器人嘗試穿針引線，或者一個協(xié)作機器人 (cobot) 在食品加工廠中處理易碎品。極輕微的計算錯誤也會導致它們無法實現(xiàn)目標。

機器人離不開精度。電流和電壓檢測技術(shù)的進步可顯著提高機器人處理復雜任務的能力，同時加快轉(zhuǎn)矩響應速度，從而實現(xiàn)更平滑的類人型運動。功能隔離式轉(zhuǎn)換器讓機器人在更小的設計中實現(xiàn)更精確的電機控制，從而使它們更智能、更安全和更高效。

隨著低于 60V 的自主移動機器人和類人機器人等機器人承擔越來越復雜的角色，它們需要運行更長時間并具有更高的電源效率。精確的電流和電壓檢測測量直接對精度和快速轉(zhuǎn)矩響應時間產(chǎn)生影響，進而使機器人能夠更快、更精確地到達其目前位置和方向。在實現(xiàn)安全導航和執(zhí)行突發(fā)任務（例如對負載或環(huán)境條件的變化做出反應）時，納秒級時間至關(guān)重要。這些測量結(jié)果為機器人的控制系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，使機器人能夠即時調(diào)整其動作并在執(zhí)行任務期間保持精度。圖 1 顯示了電流和電壓檢測精度如何幫助機器人提高準確性。

需要提高傳感能力

盡管電壓和電流檢測解決方案可以為當今的機器人系統(tǒng)帶來諸多益處，但要實現(xiàn)更高性能的感應，仍有許多挑戰(zhàn)需要攻克。一個普遍的難題是如何針對提供給電機的電流和電壓執(zhí)行精確的低噪聲測量。在目前的機器人系統(tǒng)中，三相逆變器以低電流或低電壓電平運行，并產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲，可能會干擾現(xiàn)有非隔離式傳感器測量的精度。

在設計具有精細運動技能的機器人時，較慢的轉(zhuǎn)矩響應和較不精確的運動可能會帶來巨大的挑戰(zhàn)，而執(zhí)行復雜任務正需要以非常平滑且可控的方式實施這些技能。

設計工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是許多機器人（包括移動機器人）都由電池供電，因此很難在保持性能的同時優(yōu)化能效。功率不足還會導致系統(tǒng)故障、任務持續(xù)時間有限和運營成本增加。

除了性能方面的挑戰(zhàn)之外，緊湊型類人機器人中用于附加傳感電路的空間也有限。在不顯著增加模塊尺寸或系統(tǒng)重量的情況下，集成電流檢測和電壓檢測電路可能是一大難題。

進行機器人設計時，需要在高壓和低壓域中隔離電源和控制電路。要防止發(fā)生短路事件或出現(xiàn)過壓情況，就需要快速準確地發(fā)現(xiàn)這些故障，以避免損壞其他元件。

實現(xiàn)精確的電流和電壓測量

為了克服傳統(tǒng)機器人在設計方面的挑戰(zhàn)，德州儀器的功能隔離式轉(zhuǎn)換器使設計人員能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩操作和精確的電機控制，同時在低于 60V 的緊湊設計中保持小尺寸和低成本。

AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能隔離式 Δ-Σ 電流感應調(diào)制器以及 AMC0136 功能隔離式電壓感應調(diào)制器可實現(xiàn)更精確的電流和電壓測量。與如今的 8 位到 11 位模擬解決方案相比，這些器件具有 12 到 14 個有效位數(shù) (ENOB)，如圖 2 所示。測量精度的提高可以改進對低電流和電壓電平的測量，從而實現(xiàn)精細的機器人任務和移動。

圖 2：提高 ENOB 和過采樣率有助于降低噪聲和提高分辨率

電隔離式調(diào)制器具有 150V/ns 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可改善防噪性能和系統(tǒng)級溫漂。數(shù)字接口確保脈寬調(diào)制開關(guān)不會影響測量精度。這些特性使機器人設計人員能夠使用 50V/ns 或更高的開關(guān)速度來實現(xiàn)高效的氮化鎵電機設計。開關(guān)柵極時，高 CMTI 還可以降低電源接地噪聲干擾微控制器的風險，從而防止數(shù)據(jù)損壞和性能下降。

除了功能隔離式調(diào)制器實現(xiàn)的性能優(yōu)勢外，這些器件采用 3.5mm x 2.7mm 封裝，與其他增強型隔離式調(diào)制器解決方案相比，可將感應解決方案的尺寸縮小 50% 以上（參閱圖 3）。這種更小的外形尺寸還支持使用更小的印刷電路板 (PCB)，從而實現(xiàn)更小的機器人。

AMC21C12 功能隔離式比較器有助于實現(xiàn) 290ns 的響應時間，以防止出現(xiàn)短路事件或過壓情況等故障。這種故障檢測速度可以通過快速關(guān)斷柵極驅(qū)動器來幫助避免系統(tǒng)中的其他元件損壞。

結(jié)語

隨著功能隔離式傳感和高速轉(zhuǎn)矩響應方面取得預期進展，人們可以暢想機器人未來可實現(xiàn)的各種可能性。它們可以進行高級顯微手術(shù)或高速組裝小型電子產(chǎn)品。自主移動機器人可以在復雜的環(huán)境中更高效地導航；協(xié)作機器人可以在裝配線中更安全地工作；類人機器人可以進行復雜的維修，甚至還可以洗衣服。