【導讀】機器人系統可自動(dòng)執行重復性任務(wù)，承擔復雜而費力的作業(yè)，并在對人類(lèi)有危險或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強的微控制器 (MCU) 可實(shí)現更高的功率效率、更平穩安全的運動(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?xún)龋τ谔幚砑す夂附?、精密涂層或噴墨?/span> 3D 打印的應用非常重要。
機器人系統可自動(dòng)執行重復性任務(wù)，承擔復雜而費力的作業(yè)，并在對人類(lèi)有危險或有害的環(huán)境中工作。集成度更高、性能更強的微控制器 (MCU) 可實(shí)現更高的功率效率、更平穩安全的運動(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?xún)龋τ谔幚砑す夂附?、精密涂層或噴墨?nbsp;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(lèi)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)?，F代工廠(chǎng)組合使用具有不同軸數和運動(dòng)自由度（在 x、y 或 z 平面上移動(dòng)和旋轉）的機器人，以滿(mǎn)足不同制造階段的需求；因此，整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間采用不同的控制架構。
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)現可擴展性和支持附加功能。在設計過(guò)程中，提前規劃可擴展性和附加功能也可以節省成本和時(shí)間，降低復雜性。
本文將探討集中式和分布式（或稱(chēng)分散式）這兩種電機控制架構，以及實(shí)現這兩種架構的集成實(shí)時(shí) MCU 的設計注意事項。
集中式架構
在集中式系統中，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)扇的較高功率電機驅動(dòng)器（通常超過(guò) 2kW 至 3kW）中，有效解決散熱問(wèn)題。在此架構中，位置數據通常通過(guò)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(gè)功率級位于同一 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，因為多個(gè)電機控制 MCU 之間不需要較長(cháng)的通信線(xiàn)路。
集中式架構中的電機控制 MCU/MPU 需要具備高性能實(shí)時(shí)處理內核（如 R5F 內核或 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的外設。AM243x 等 MCU 可構建可擴展的多軸系統，為多達六個(gè)軸提供實(shí)時(shí)控制外設，并在單芯片中實(shí)現實(shí)時(shí)通信。
過(guò)去，FPGA 或 ASIC 器件主要用于自動(dòng)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(lái)越來(lái)越受到青睞。這些 MCU 具有高集成度和成本效益，有助于設計人員滿(mǎn)足其系統的性能要求，同時(shí)實(shí)現設計的可擴展性和靈活性。
雖然集中式控制架構可以滿(mǎn)足重有效載荷工業(yè)機器人等大功率自動(dòng)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(guān)節的機械電機，以及位置傳感器和聚合器。這些電線(xiàn)不僅成本高昂，而且容易磨損，需要維護。
圖 1：適用于多軸系統的分散式電機控制架構的方框圖
分散式或分布式架構
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(lái)越受歡迎，并已成為協(xié)作機器人機械手的標準方法。
分散式架構將多個(gè)單軸電機驅動(dòng)集成到機器人的每個(gè)關(guān)節中，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、單軸電機控制外設、三到六個(gè) 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?？拷?nbsp;MCU ，因此這些 MCU 需要一個(gè)數字或模擬接口來(lái)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(xiàn)和通信接口之間的布線(xiàn)需求較少，因此可以大幅降低系統級成本?，F代實(shí)時(shí) 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(shí)現高性能。
圖2：適用于單軸系統的分散式電機控制架構的方框圖
結語(yǔ)
雖然電機在機器人領(lǐng)域可能并非當下最熱門(mén)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(chǎng)運轉的“肌肉”，也是現代制造業(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(zhù)這些器件集成度的提升，邊緣計算和無(wú)線(xiàn)連接等附加功能可能會(huì )融入電機控制設計中。
（來(lái)源：德州儀器）
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