技術干貨｜MCU如何在機器人電機控制設計中提高系統性能

機器人系統可自動執行重復性任務，承擔復雜而費力的作業，并在對人類有危險或有害的環境中工作。集成度更高、性能更強的微控制器 (MCU) 可實現更高的功率效率、更平穩安全的運動以及更高的精度，從而提高生產力和自動化水平。例如，更高的精度（有時在 0.1mm 以內）對于處理激光焊接、精密涂層或噴墨或 3D 打印的應用非常重要。

機械臂的軸數以及所需的控制架構類型（集中式或分布式）決定了適合該系統的 MCU 或電機控制集成電路 (IC)。現代工廠組合使用具有不同軸數和運動自由度（在 x、y 或 z 平面上移動和旋轉）的機器人，以滿足不同制造階段的需求；因此，整個工廠車間采用不同的控制架構。

在選擇 MCU 時，選擇具有額外性能余量的 MCU 能夠在未來實現可擴展性和支持附加功能。在設計過程中，提前規劃可擴展性和附加功能也可以節省成本和時間，降低復雜性。

本文將探討集中式和分布式（或稱分散式）這兩種電機控制架構，以及實現這兩種架構的集成實時 MCU 的設計注意事項。

在集中式系統中，一個 MCU 用于控制多個軸。這種方法能在需要大型散熱器和冷卻風扇的較高功率電機驅動器（通常超過 2kW 至 3kW）中，有效解決散熱問題。在此架構中，位置數據通常通過連接到編碼器的旋轉變壓器板或聚合器從外部獲取。

通常，在這種架構中，多個功率級位于同一 PCB 上或距離很近，因此一個 MCU 可以控制多個軸。這種方法簡化了多軸之間的實時控制和同步，因為多個電機控制 MCU 之間不需要較長的通信線路。

集中式架構中的電機控制 MCU/MPU 需要具備高性能實時處理內核（如 R5F 內核或 DSP）、實時通信接口（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用于電壓和電流檢測的外設。AM243x 等 MCU 可構建可擴展的多軸系統，為多達六個軸提供實時控制外設，并在單芯片中實現實時通信。

過去，FPGA 或 ASIC 器件主要用于自動化系統中的集中式電機控制。但是，基于 Arm Cortex 的現代 MCU（如 AM243x）近年來越來越受到青睞。這些 MCU 具有高集成度和成本效益，有助于設計人員滿足其系統的性能要求，同時實現設計的可擴展性和靈活性。

雖然集中式控制架構可以滿足重有效載荷工業機器人等大功率自動化系統的性能和效率設計要求，但這些系統需要使用額外電纜，連接機柜和關節的機械電機，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。

最近，分散式或分布式架構（圖 2）在具有較低功耗要求的系統中越來越受歡迎，并已成為協作機器人機械手的標準方法。

分散式架構將多個單軸電機驅動集成到機器人的每個關節中，并通過 EtherCAT 等實時通信接口進行連接和同步。通常每個驅動控制一個軸，并在本地處理某些安全功能。因此，每個 MCU 都需要實時控制和通信功能、單軸電機控制外設、三到六個 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模數轉換器或 Δ-Σ 調制器輸入。

在這些應用中，位置傳感器通常靠近 MCU ，因此這些 MCU 需要一個數字或模擬接口來讀取位置傳感器的數據。雖然這種架構需要更多的 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級成本。現代實時 MCU（如 F28P65x）不僅集成了所有必要的外設，還集成了安全外設，從而為分散式架構中的集成軸提供單芯片或雙芯片解決方案，并以較小的尺寸實現高性能。

雖然電機在機器人領域可能并非當下最熱門的選擇（尤其是與支持人工智能的系統相比），但它們是維持工廠運轉的“肌肉”，也是現代制造業中至關重要的部分，因此選擇合適的控制器件時需要進行多番考量。隨著這些器件集成度的提升，邊緣計算和無線連接等附加功能可能會融入電機控制設計中。