AMET005 November 2024 DRV8161 , DRV8162
El mercado de la robótica sigue creciendo a medida que la fabricación se vuelve más automática y los consumidores implementan estos sistemas en sus hogares. Las empresas están empezando a automatizar los sistemas de fabricación en sus fábricas y almacenes, y a adaptarse a un futuro en el que los robots interactuarán más con los seres humanos.
Los ingenieros de diseño que crean robots entienden que hay cientos de tipos diferentes de sistemas robóticos. Como se muestra en la Figura 1, existe un rango de robots que abarca desde cobots pequeños y útiles que funcionan con unos pocos vatios de potencia hasta robots móviles autónomos, robots humanoides y robots industriales de alta resistencia que funcionan con hasta 4 kW o más.
Figura 1 Los cobots, robots móviles, robots humanoides y robots industriales pueden tener diferentes formas y tamaños, con niveles de potencia que van desde 10 W hasta ≥4 kWLos fabricantes de robots se enfrentan a varios desafíos de diseño cuando desarrollan sistemas avanzados. Las aplicaciones de robótica anteriores suelen utilizar el carril de 48 V y admiten cargas útiles de 2 kg a 40 kg. Los ingenieros que crean diseños para cargas más altas deben considerar las implicaciones mecánicas y de diseño para adaptarse a niveles de potencia más altos. Las corrientes más altas pueden provocar un rendimiento deficiente del sistema debido a interferencias electromagnéticas (EMI) o pérdidas de conmutación altas. La seguridad funcional también es un factor importante, ya que los robots se suelen utilizar en entornos con seres humanos. Diseñar sistemas que se apaguen de forma segura cuando sea necesario es extremadamente importante, ya sea en una planta de fabricación o en el hogar de un consumidor.
Los controladores de compuertas de medio puente único inteligentes, como el DRV8162 de TI, le ofrecen la flexibilidad necesaria para crear sistemas integrados capaces de soportar rangos de potencia y tensión amplios, a la vez que reducen la EMI y cumplen con las normas de seguridad funcional.
Diseño para un amplio rango de niveles de potencia
Nuestros controladores de compuerta inteligentes incorporan el esquema de corriente de accionamiento de compuerta ajustable IDRIVE de TI para controlar las velocidades de subida de los MOSFET en múltiples niveles de corriente de compuertas. El DRV8162 tiene 16 configuraciones granulares ajustables, como se muestra en la Figura 2, que se deben controlar al seleccionar el MOSFET y la aplicación final. Para obtener más detalles sobre IDRIVE, consulte Explicación del accionamiento inteligente de compuerta.
Figura 2 Los 16 ajustes de IDRIVE del DRV8162 y la relación de fuente y disipador programables le permiten eliminar componentes pasivos externos y simplificar el diseño.Con la Equation 1, puede estimar qué configuración de IDRIVE sería la mejor para su sistema utilizando la especificación de carga de compuerta a drenaje (Qgd) de su MOSFET y el tiempo de ascenso y caída del voltaje máximo entre drenaje y fuente del MOSFET. Estos valores varían en función de los requisitos de rendimiento de su sistema.
Si el IDRIVE no está cerca de una configuración de accionamiento de compuerta en el dispositivo que está utilizando, necesitará componentes pasivos adicionales (incluidas las resistencias de compuerta) para alcanzar la corriente de compuerta requerida. Estos componentes adicionales se agregan al costo general de la lista de materiales y contribuyen a aumentar el tamaño de la placa de circuito impreso (PCB), lo que puede ser preocupante para los diseños más pequeños en cobots, robots móviles y articulaciones de robots humanoides.
Una resistencia de compuerta externa es necesaria cuando se utilizan controladores de compuerta de medio puente de la competencia, ya que solo proporcionan una corriente fija o de dos a cuatro ajustes discretos. Los 16 ajustes de accionamiento de compuerta del controlador DRV8162 y la relación de fuente y disipador programable le ofrecen la flexibilidad necesaria para eliminar componentes pasivos externos y simplificar el diseño.
La amplia capacidad para admitir Qgd le permite utilizar el controlador en varias plataformas de robótica de baja, media y alta potencia con diferentes MOSFET sin tener que cambiar el diseño del controlador de compuerta en cada sistema. Las corrientes de compuerta de fuente y disipador para el DRV8162 se pueden ajustar tan bajas como 16 mA y 32 mA, respectivamente, y hasta 1024 mA y 2048 mA. Por ejemplo, se puede utilizar una velocidad de subida de 1 V/ns en un sistema 48 V para calcular un tiempo de ascenso o caída (Trise/Tfall) de 48 ns. Esto da como resultado un rango de 0.77 nC/1.54 nC a 49.15 nC/98.30 nC de Qgd en el MOSFET que el dispositivo puede admitir.
Mejora del rendimiento del sistema
La arquitectura de medio puente único del DRV8162 permite ubicarlo más cerca de los transistores de efecto de campo (FET) que un controlador de compuerta trifásico integrado. En la Figura 3, se muestran dos diseños de placa de circuito impreso (PCB) circulares y se compara una implementación de medio puente monofásica con una trifásica.
Figura 3 Diseños de PCB circulares con implementación de controlador de compuerta trifásica con microcontrolador (MCU), conductor y FET a la izquierda, y diseño de medio puente único a la derechaUbicar el controlador de compuerta más cerca de los FET permite reducir la longitud de los trazados, mejorar la integridad de la señal y reducir los parásitos en los nodos de compuerta y fuente. Las rutas más cortas también ayudan a reducir los efectos de la inductancia de los trazados, lo que da como resultado una llamada y una EMI menores.
Además, el DRV8162 facilita la mejora de la eficiencia y la acústica del sistema con un tiempo muerto de 20 ns, lo que también ayuda a mejorar el rango de ciclo de trabajo de modulación por ancho de impulsos de funcionamiento y, por lo tanto, el rango de velocidad, al tiempo que aumenta la tensión disponible para el motor. Un menor tiempo muerto también minimiza las pérdidas de conducción de diodos, lo que mejora la eficiencia del sistema y reduce la distorsión de corriente del motor y, por lo tanto, reduce el ruido audible. Estos efectos mejoran el rendimiento y la eficiencia del sistema generales.
STO en robótica
Muchos robots funcionan a la par de los seres humanos, por lo que es fundamental apagar el sistema en caso de que se produzca un fallo de potencia en una fuente de potencia, una sobrecarga de potencia o un cortocircuito. Un fallo en una aplicación de accionamiento de motor en la que el par del dispositivo es impredecible podría provocar una situación de peligro. Debido a que algunas máquinas funcionan en entornos industriales que implican cargas pesadas, es importante que se puedan apagar de forma segura, así como evitar arranques inesperados.
En la norma 61800-5-2 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), se define una función de seguridad denominada desconexión segura de par (STO) en el diseño de circuitos, que evita que el motor se alimente. El DRV8162 y el DRV8162L de TI incorporan una arquitectura de suministro dividido para ayudar a implementar la STO en su sistema.
Para diseños de mayor potencia, los ingenieros pueden consultar el diseño de referencia de inversor trifásico con factor de forma pequeño de 48 V y 4 kW para accionamientos de motores integrados (TIDA-010956), en el que se presenta el DRV8162L con una entrada de 48 VCC y una corriente de salida de 85 ARMS. Como se muestra en Figura 4, este diseño incluye un concepto de STO propuesto, FET paralelos, alta potencia y un controlador de compuerta de medio puente único.
Figura 4 Diseño de referencia del inversor trifásico de TI (TIDA-010956)Conclusión
Los diseños de motores existentes para robots utilizan una implementación discreta para cumplir los requisitos de seguridad, lo que aumenta el tamaño de la placa y la lista de materiales. Se necesitan controladores de compuerta más pequeños, seguros e integrados como el DRV8162, para mejorar la eficiencia y la seguridad en robots de todas las formas y tamaños. Los controladores inteligentes de puerta de medio puente único nuevos ayudan a los diseñadores a escalar la potencia de 10 W a 4 kW o más, a la vez que reducen el tamaño de la PCB, mejoran el rendimiento y la seguridad, y ofrecen la flexibilidad necesaria para acelerar la innovación robótica por muchos años más.
Recursos adicionales
- Consulte el resumen de la aplicación “Controladores de compuerta de medio puente trifásicos frente a tres simples” (documento n.º SLVAFZO).
- Obtenga más información sobre la STO con el informe técnico Integración de la supervisión de tensión para una implementación de potencia segura en robots industriales fijos y móviles.
- Solicite el módulo de evaluación DRV8161EVM para comenzar a diseñar una etapa de accionamiento de CC trifásica sin escobillas de 30 A.
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