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人形機(jī)器人需要什么樣的BLDC電機(jī)控制芯片？
發(fā)布時(shí)間：2024-01-16 13:49:20 瀏覽：601次
重點(diǎn)內(nèi)容速覽：
·BLDC電機(jī)控制可使用專用芯片（ASSP）和通用MCU
·無傳感器的BLDC電機(jī)更普遍，控制算法硬件化
·集成化趨勢(shì)：整合預(yù)驅(qū)動(dòng)、柵極驅(qū)動(dòng)、電源管理
12月13日馬斯克發(fā)布了新一代人形機(jī)器人原型Optimus Gen 2，距離量產(chǎn)又近了一步。我國(guó)也在加速發(fā)展人形機(jī)器人，近期，工信部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，指出人形機(jī)器人有望成為繼計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品，并且明確了人形機(jī)器人發(fā)展的目標(biāo)與時(shí)間點(diǎn)。
目前，我國(guó)人形機(jī)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(dá)闥科技、小米、騰訊、傅利葉智能、小鵬汽車、追覓、宇樹、智元機(jī)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(jī)廠商步科股份，空心杯電機(jī)廠商鳴志電器，減速器廠商綠的諧波、中大力德、雙環(huán)傳動(dòng)，控制系統(tǒng)廠商匯川技術(shù)，編碼器與傳感器廠商昊志機(jī)電，行星滾柱絲杠廠商長(zhǎng)盛軸承、秦川機(jī)床等。（備注：無框表示電機(jī)無外殼；空心杯表示電機(jī)沒有鐵芯轉(zhuǎn)子）
圖注：國(guó)內(nèi)幾家主要人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)比（不完全統(tǒng)計(jì)，芯查查制表）
無框力矩電機(jī)、空心杯電機(jī)是機(jī)器人關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部件，相比這2種電機(jī)，無刷直流電機(jī)（下文BLDC）是更廣義、普遍的電機(jī)類型，有分析認(rèn)為常見的人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)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(dòng)工具、汽車電子系統(tǒng)等不勝枚舉，而諸如無人機(jī)、電動(dòng)汽車，以及上述的機(jī)器人等新興應(yīng)用也離不開BLDC。Allied Market Research估計(jì)，到2030年全球BLDC市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的332億美元增長(zhǎng)到722億美元。
圖注：2020-2030年BLDC電機(jī)的增長(zhǎng)（圖源：Allied Market Research）
BLDC優(yōu)勢(shì)包括能效高（通常高達(dá)92%）；由于沒有任何電刷摩擦，可以更高速度運(yùn)行；尺寸更緊湊、噪聲屬性更低，EMI曲線更佳等。但這些優(yōu)勢(shì)也有代價(jià)，其控制的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，下面講述BLDC控制芯片在應(yīng)用中的幾個(gè)趨勢(shì)。
專用芯片，還是通用MCU？
BLDC電機(jī)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(jī)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(hù)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(diǎn)，而且因?yàn)閷ｉT針對(duì)電機(jī)控制設(shè)計(jì)，往往提供優(yōu)秀性能和穩(wěn)定性。
圖注：BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)（圖源：中電港）
對(duì)于BLDC電機(jī)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案。
在電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)中，高精度電流和電壓檢測(cè)可提高速度和扭矩控制性能。使用電阻進(jìn)行電流采樣的伺服系統(tǒng)中，采樣信號(hào)質(zhì)量對(duì)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(cè)性能是伺服控制的關(guān)鍵，常常使用光學(xué)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(dòng)了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對(duì)于電機(jī)控制的性能和效率的高要求。
從優(yōu)先考慮安全和保護(hù)的角度，信號(hào)采樣和功率器件驅(qū)動(dòng)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(jī)控制有其優(yōu)點(diǎn)——靈活、可編程。MCU通常包含一個(gè)或多個(gè)CPU核心以及各種外圍接口和外設(shè)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法。32位MCU具有足夠處理能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)控制算法，比如磁場(chǎng)定向控制（FOC,Field Oriented Control）。
例如Microchip AVR EB系列MCU可在BLDC電機(jī)系統(tǒng)中提供復(fù)雜的波形控制，調(diào)整速度、時(shí)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(shí)現(xiàn)多種功能，快速響應(yīng)工作條件變化，可即時(shí)進(jìn)行調(diào)整，延遲幾乎為零。此外可以獨(dú)立于CPU執(zhí)行多項(xiàng)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。
圖注：MCU可以在BLDC電機(jī)系統(tǒng)中提供復(fù)雜波形控制（圖源：Microchip）
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(duì)成本敏感，且電機(jī)控制需求相對(duì)簡(jiǎn)單，專用芯片ASSP可能是一個(gè)更好選擇，因?yàn)榫哂休^低成本和較高集成度。
- 如果應(yīng)用需要更高靈活性、可擴(kuò)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(jì)變更和功能升級(jí)。
在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)可能會(huì)結(jié)合專用電機(jī)控制芯片和通用MCU，各司其職，專用芯片處理電機(jī)控制的特定任務(wù)，MCU負(fù)責(zé)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(jī)或許會(huì)更加普遍，這就需要通過控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。
從性能和復(fù)雜度來看，電機(jī)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(jī)控制算法通過硬件化降低開發(fā)門檻是必然趨勢(shì)。
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(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法硬件化的演變。
圖注：Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)算法加速的同時(shí)支持EtherCAT開放架構(gòu)（圖源：中電港）
除了ASIC，F(xiàn)PGA也被用于實(shí)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(dòng)解決方案，采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)。
在這個(gè)方案中，電流環(huán)控制放在FPGA里進(jìn)行硬件加速，大幅降低延時(shí)，讓電流環(huán)更快速，提高精確度。FPGA在實(shí)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(shì)，此外，F(xiàn)PGA可靈活搭配不同型號(hào)，實(shí)現(xiàn)1-6軸電機(jī)控制，成本上更具優(yōu)勢(shì)。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(shí)時(shí)性更好。
集成化趨勢(shì)：整合預(yù)驅(qū)動(dòng)、柵極驅(qū)動(dòng)、電源管理等
高集成是BLDC電機(jī)控制芯片的另一個(gè)趨勢(shì)，從完全分離、到集成運(yùn)放和比較器、集成預(yù)驅(qū)動(dòng)、集成電源和MOSFET、再到全集成模塊。在人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中，高度集成的芯片有助于實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。以安森美ecoSpin BLDC電機(jī)控制器系列為例，將控制和驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)芯片，簡(jiǎn)化HVAC、制冷和機(jī)器人等應(yīng)用中高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，該系列產(chǎn)品之一ECS640A集成6個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)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(jī)控制MCU集成柵極驅(qū)動(dòng)有助于簡(jiǎn)化人形機(jī)器人設(shè)計(jì)，圖例安森美ecoSpin系列產(chǎn)品（圖源：安森美）
小 結(jié)
人形機(jī)器人是當(dāng)前高科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)應(yīng)用之一，高精度動(dòng)作控制和姿態(tài)調(diào)整要求其使用的電機(jī)具有極高的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)要求系統(tǒng)處理多個(gè)電機(jī)的控制任務(wù)，確保協(xié)調(diào)和同步，此外，人形機(jī)器人需要在有限的空間內(nèi)集成大量的電子和機(jī)械組件，比如電機(jī)和控制器。綜合來看，BLDC電機(jī)相比傳統(tǒng)電機(jī)更符合上述人形機(jī)器人的需求，這勢(shì)必帶動(dòng)BLDC電機(jī)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。
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