分析 丨人形機器人需要什么樣的BLDC電機控制芯片？

12月13日馬斯克發(fā)布了新一代人形機器人原型Optimus Gen 2，距離量產(chǎn)又近了一步。我國也在加速發(fā)展人形機器人，近期，工信部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，指出人形機器人有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品，并且明確了人形機器人發(fā)展的目標與時間點。

目前，我國人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中游的本土制造廠商不在少數(shù)，包括優(yōu)必選、達闥科技、小米、騰訊、傅利葉智能、小鵬汽車、追覓、宇樹、智元機器人等，其中只有優(yōu)必選推出量產(chǎn)化產(chǎn)品，但成本昂貴。上游核心零部件廠商包括無框力矩電機廠商步科股份，空心杯電機廠商鳴志電器，減速器廠商綠的諧波、中大力德、雙環(huán)傳動，控制系統(tǒng)廠商匯川技術(shù)，編碼器與傳感器廠商昊志機電，行星滾柱絲杠廠商長盛軸承、秦川機床等。（備注：無框表示電機無外殼；空心杯表示電機沒有鐵芯轉(zhuǎn)子）

圖注：國內(nèi)幾家主要人形機器人的關(guān)節(jié)電機對比（不完全統(tǒng)計，芯查查制表）無框力矩電機、空心杯電機是機器人關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部件，相比這2種電機，無刷直流電機（下文BLDC）是更廣義、普遍的電機類型，有分析認為常見的人形機器人關(guān)節(jié)電機屬于BLDC。

BLDC并不是新鮮事物，其幾乎無處不在，家用電器、辦公設(shè)備、電動工具、汽車電子系統(tǒng)等不勝枚舉，而諸如無人機、電動汽車，以及上述的機器人等新興應(yīng)用也離不開BLDC。Allied Market Research估計，到2030年全球BLDC市場規(guī)模將從2020年的332億美元增長到722億美元。

圖注：2020-2030年BLDC電機的增長（圖源：Allied Market Research）

BLDC優(yōu)勢包括能效高（通常高達92%）；由于沒有任何電刷摩擦，可以更高速度運行；尺寸更緊湊、噪聲屬性更低，EMI曲線更佳等。但這些優(yōu)勢也有代價，其控制的設(shè)計更加復(fù)雜，下面講述BLDC控制芯片在應(yīng)用中的幾個趨勢。

專用芯片，還是通用MCU？

BLDC電機控制可以使用專用芯片（ASSP），也可以使用通用MCU。

專用芯片通常集成電機控制所需的硬件模塊，比如PWM控制器、電流感應(yīng)、位置傳感接口（通常是霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器接口）、以及保護電路等。專用芯片通常具有高效率、低功耗和小尺寸的優(yōu)點，而且因為專門針對電機控制設(shè)計，往往提供優(yōu)秀性能和穩(wěn)定性。

圖注：BLDC電機控制系統(tǒng)（圖源：中電港）

對于BLDC電機控制專用芯片，供應(yīng)商通常提供了門類齊全的專用芯片產(chǎn)品組合，例如ADI提供的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler?數(shù)字隔離器、電源管理器件和實時以太網(wǎng)解決方案。

在電機的伺服控制系統(tǒng)中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控制性能。使用電阻進行電流采樣的伺服系統(tǒng)中，采樣信號質(zhì)量對電控制性能的影響至關(guān)重要，ADI提供基于Σ-Δ調(diào)制器的高性能解決方案。

位置檢測性能是伺服控制的關(guān)鍵，常常使用光學編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換推動了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對于電機控制的性能和效率的高要求。

從優(yōu)先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅(qū)動應(yīng)采用隔離技術(shù)。ADI的iCoupler數(shù)字隔離器產(chǎn)品可滿足高壓安全隔離要求。

相比專用芯片，基于通用MCU的BLDC電機控制有其優(yōu)點——靈活、可編程。MCU通常包含一個或多個CPU核心以及各種外圍接口和外設(shè)，通過軟件編程實現(xiàn)電機控制算法。32位MCU具有足夠處理能力實現(xiàn)復(fù)雜電機控制算法，比如磁場定向控制（FOC,Field Oriented Control）。

例如Microchip AVR EB系列MCU可在BLDC電機系統(tǒng)中提供復(fù)雜的波形控制，調(diào)整速度、時序和波形形狀創(chuàng)建正弦波和梯形波形；片上外設(shè)只需極少編程即可實現(xiàn)多種功能，快速響應(yīng)工作條件變化，可即時進行調(diào)整，延遲幾乎為零。此外可以獨立于CPU執(zhí)行多項任務(wù)，例如讀取環(huán)境傳感器和串行通信，可降低整體BOM成本。

選擇專用芯片還是通用MCU，取決于應(yīng)用需求：

- 如果應(yīng)用對成本敏感，且電機控制需求相對簡單，專用芯片ASSP可能是一個更好選擇，因為具有較低成本和較高集成度。- 如果應(yīng)用需要更高靈活性、可擴展性或者需要執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，那么通用MCU可能更適合。雖然初始開發(fā)成本較高，但MCU的靈活性可以適應(yīng)未來設(shè)計變更和功能升級。

在實際應(yīng)用中，設(shè)計可能會結(jié)合專用電機控制芯片和通用MCU，各司其職，專用芯片處理電機控制的特定任務(wù)，MCU負責更高層次的系統(tǒng)控制和通信功能，這種混合方案可以兼顧性能、成本和靈活性。

無傳感器或更加普遍，控制算法硬件化

無傳感器的BLDC電機或許會更加普遍，這就需要通過控制算法實現(xiàn)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測和控制。

從性能和復(fù)雜度來看，電機控制算法發(fā)展路線從最初的120度方波控制，到有感SVPWM、逐步發(fā)展到有感FOC、最后到無感FOC控制算法——控制算法越來越復(fù)雜，開發(fā)門檻越來越高。為了便于用戶使用最新和最優(yōu)控制方案，電機控制算法通過硬件化降低開發(fā)門檻是必然趨勢。

早期的MCU純軟件算法開發(fā)方式，迅速被智能集成的硬件化替代，從方波算法ASIC化、類正弦算法ASIC化、集成MDU、Cordic等，到最后無感FOC算法ASIC化等一系列的變化，實現(xiàn)電機控制算法硬件化的演變。

圖注：Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)，在實現(xiàn)算法加速的同時支持EtherCAT開放架構(gòu)（圖源：中電港）

除了ASIC，F(xiàn)PGA也被用于實現(xiàn)FOC控制算法，例如中電港聯(lián)合全球知名半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子及萊迪思半導(dǎo)體推出高性能EtherCAT伺服驅(qū)動解決方案，采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)。

在這個方案中，電流環(huán)控制放在FPGA里進行硬件加速，大幅降低延時，讓電流環(huán)更快速，提高精確度。FPGA在實現(xiàn)多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更具優(yōu)勢，此外，F(xiàn)PGA可靈活搭配不同型號，實現(xiàn)1-6軸電機控制，成本上更具優(yōu)勢。Renesas RZ/T1 MPU內(nèi)部集成了EtherCAT硬核控制器，集成度更高，控制的實時性更好。

集成化趨勢：整合預(yù)驅(qū)動、柵極驅(qū)動、電源管理等

高集成是BLDC電機控制芯片的另一個趨勢，從完全分離、到集成運放和比較器、集成預(yù)驅(qū)動、集成電源和MOSFET、再到全集成模塊。在人形機器人設(shè)計中，高度集成的芯片有助于實現(xiàn)小型化和輕量化。以安森美ecoSpin BLDC電機控制器系列為例，將控制和驅(qū)動器集成在一個芯片，簡化HVAC、制冷和機器人等應(yīng)用中高壓電機控制系統(tǒng)的開發(fā)，該系列產(chǎn)品之一ECS640A集成6個柵極驅(qū)動器輸出，為外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）柵極電流灌/拉電流，霍爾傳感器輸入支持有傳感器或無傳感器操作。

圖注：BLDC電機控制MCU集成柵極驅(qū)動有助于簡化人形機器人設(shè)計，圖例安森美ecoSpin系列產(chǎn)品（圖源：安森美）

小 結(jié)

人形機器人是當前高科技領(lǐng)域的熱點應(yīng)用之一，高精度動作控制和姿態(tài)調(diào)整要求其使用的電機具有極高的精度和動態(tài)響應(yīng)能力，同時要求系統(tǒng)處理多個電機的控制任務(wù)，確保協(xié)調(diào)和同步，此外，人形機器人需要在有限的空間內(nèi)集成大量的電子和機械組件，比如電機和控制器。綜合來看，BLDC電機相比傳統(tǒng)電機更符合上述人形機器人的需求，這勢必帶動BLDC電機控制芯片的發(fā)展，本文概括了這類芯片的產(chǎn)品和方案的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇