MCU 如何在機(jī)器人電機(jī)控制設(shè)計(jì)中提高系統(tǒng)性能

機(jī)器人系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，承擔(dān)復(fù)雜而費(fèi)力的作業(yè)，并在對(duì)人類有危險(xiǎn)或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強(qiáng)的微控制器 (MCU) 可實(shí)現(xiàn)更高的功率效率、更平穩(wěn)安全的運(yùn)動(dòng)以及更高的精度，從而提高生產(chǎn)力和自動(dòng)化水平。例如，更高的精度（有時(shí)在 0.1mm 以內(nèi)）對(duì)于處理激光焊接、精密涂層或噴墨或 3D 打印的應(yīng)用非常重要。

機(jī)械臂的軸數(shù)以及所需的控制架構(gòu)類型（集中式或分布式）決定了適合該系統(tǒng)的 MCU 或電機(jī)控制集成電路 (IC)?，F(xiàn)代工廠組合使用具有不同軸數(shù)和運(yùn)動(dòng)自由度（在 x、y 或 z 平面上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)）的機(jī)器人，以滿足不同制造階段的需求；因此，整個(gè)工廠車(chē)間采用不同的控制架構(gòu)。

在選擇 MCU 時(shí)，選擇具有額外性能余量的MCU能夠在未來(lái)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和支持附加功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，提前規(guī)劃可擴(kuò)展性和附加功能也可以節(jié)省成本和時(shí)間，降低復(fù)雜性。

本文將探討集中式和分布式（或稱分散式）這兩種電機(jī)控制架構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)這兩種架構(gòu)的集成實(shí)時(shí) MCU 的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

集中式架構(gòu)

在集中式系統(tǒng)中，一個(gè) MCU 用于控制多個(gè)軸。這種方法能在需要大型散熱器和冷卻風(fēng)扇的較高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（通常超過(guò) 2kW 至 3kW）中，有效解決散熱問(wèn)題。在此架構(gòu)中，位置數(shù)據(jù)通常通過(guò)連接到編碼器的旋轉(zhuǎn)變壓器板或聚合器從外部獲取。

圖 1：適用于多軸系統(tǒng)的分散式電機(jī)控制架構(gòu)的方框圖

通常，在這種架構(gòu)中，多個(gè)功率級(jí)位于同一 PCB 上或距離很近，因此一個(gè) MCU 可以控制多個(gè)軸。這種方法簡(jiǎn)化了多軸之間的實(shí)時(shí)控制和同步，因?yàn)槎鄠€(gè)電機(jī)控制 MCU 之間不需要較長(zhǎng)的通信線路。

集中式架構(gòu)中的電機(jī)控制 MCU/MPU 需要具備高性能實(shí)時(shí)處理內(nèi)核（如 R5F 內(nèi)核或 DSP）、實(shí)時(shí)通信接口（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用于電壓和電流檢測(cè)的外設(shè)。AM243x 等 MCU 可構(gòu)建可擴(kuò)展的多軸系統(tǒng)，為多達(dá)六個(gè)軸提供實(shí)時(shí)控制外設(shè)，并在單芯片中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

過(guò)去，F(xiàn)PGA 或 ASIC 器件主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中的集中式電機(jī)控制。但是，基于 Arm Cortex 的現(xiàn)代 MCU（如 AM243x）近年來(lái)越來(lái)越受到青睞。這些 MCU 具有高集成度和成本效益，有助于設(shè)計(jì)人員滿足其系統(tǒng)的性能要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和靈活性。

雖然集中式控制架構(gòu)可以滿足重有效載荷工業(yè)機(jī)器人等大功率自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和效率設(shè)計(jì)要求，但這些系統(tǒng)需要使用額外電纜，連接機(jī)柜和關(guān)節(jié)的機(jī)械電機(jī)，以及位置傳感器和聚合器。這些電線不僅成本高昂，而且容易磨損，需要維護(hù)。

分散式或分布式架構(gòu)

最近，分散式或分布式架構(gòu)（圖 2）在具有較低功耗要求的系統(tǒng)中越來(lái)越受歡迎，并已成為協(xié)作機(jī)器人機(jī)械手的標(biāo)準(zhǔn)方法。

分散式架構(gòu)將多個(gè)單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成到機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)中，并通過(guò) EtherCAT 等實(shí)時(shí)通信接口進(jìn)行連接和同步。通常每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制一個(gè)軸，并在本地處理某些安全功能。因此，每個(gè) MCU 都需要實(shí)時(shí)控制和通信功能、單軸電機(jī)控制外設(shè)、三到六個(gè) PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器或 Δ-Σ 調(diào)制器輸入。

在這些應(yīng)用中，位置傳感器通常靠近 MCU ，因此這些 MCU 需要一個(gè)數(shù)字或模擬接口來(lái)讀取位置傳感器的數(shù)據(jù)。雖然這種架構(gòu)需要更多的 MCU，但由于電源總線和通信接口之間的布線需求較少，因此可以大幅降低系統(tǒng)級(jí)成本。現(xiàn)代實(shí)時(shí) MCU（如 F28P65x）不僅集成了所有必要的外設(shè)，還集成了安全外設(shè)，從而為分散式架構(gòu)中的集成軸提供單芯片或雙芯片解決方案，并以較小的尺寸實(shí)現(xiàn)高性能。

圖 2：適用于單軸系統(tǒng)的分散式電機(jī)控制架構(gòu)的方框圖

結(jié)語(yǔ)

雖然電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域可能并非當(dāng)下最熱門(mén)的選擇（尤其是與支持人工智能的系統(tǒng)相比），但它們是維持工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的“肌肉”，也是現(xiàn)代制造業(yè)中至關(guān)重要的部分，因此選擇合適的控制器件時(shí)需要進(jìn)行多番考量。隨著這些器件集成度的提升，邊緣計(jì)算和無(wú)線連接等附加功能可能會(huì)融入電機(jī)控制設(shè)計(jì)中。