【導讀】制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對更高自動(dòng)化水平的需求不斷增長(cháng)，推動(dòng)了人形機器人的開(kāi)發(fā)。人形機器人變得更加復雜和精確，自由度 (DOF) 變得更高，并且對周?chē)h(huán)境的響應時(shí)間（按毫秒計）縮短，從而能更好地模仿人類(lèi)的動(dòng)作。圖 1 展示了人形機器人的典型電機和運動(dòng)功能。
從科幻走入現實(shí)，人形機器人正經(jīng)歷一場(chǎng)靜默而深刻的技術(shù)革命：更高效的能源控制、更精準的運動(dòng)算法、更高速的通信架構、更智能的環(huán)境感知能力......這些變革正在重塑機器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。 歡迎來(lái)到 《人形機器人專(zhuān)題》 我們將為大家帶來(lái)四篇系列文章， 從不同方面對人形機器人進(jìn)行知識解析，本文將聚焦人形機器人中的電機控制。
引言
制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對更高自動(dòng)化水平的需求不斷增長(cháng)，推動(dòng)了人形機器人的開(kāi)發(fā)。人形機器人變得更加復雜和精確，自由度 (DOF) 變得更高，并且對周?chē)h(huán)境的響應時(shí)間（按毫秒計）縮短，從而能更好地模仿人類(lèi)的動(dòng)作。圖 1 展示了人形機器人的典型電機和運動(dòng)功能。
圖 1：顯示人形機器人 DOF 變得更高的位置
具有更高的 DOF 意味著(zhù)人形機器人需要更多的電機驅動(dòng)器。機器人設計中的驅動(dòng)器位置決定了不同的驅動(dòng)器要求。部分關(guān)鍵規格是：
· 通信接口架構
· 位置感測
· 電機類(lèi)型
· 電機控制算法
· 功率級要求
· 電子電路尺寸
· 功能安全注意事項
目前，雖然針對協(xié)作機器人和工業(yè)機器人制定了相關(guān)標準，但沒(méi)有規定人形機器人功能安全要求的標準。隨著(zhù)需求的持續增長(cháng)，預計標準機構將來(lái)會(huì )為人形機器人規定安全要求。在規定安全要求之前，人形機器人設計人員必須對當前系統設計進(jìn)行相應調查，從而在將來(lái)盡可能減少因重新設計所帶來(lái)的工作。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 可以闡明未來(lái)的預期。
通信接口架構
鑒于驅動(dòng)器在機器人中的位置，因此優(yōu)化與所有驅動(dòng)器的通信，同時(shí)最大限度地減少布線(xiàn)數量非常重要。實(shí)現優(yōu)化的備選方法有很多；最常用的方法是菊花鏈通信和線(xiàn)性總線(xiàn)拓撲，如圖 2 和圖 3 所示。
圖 2：菊花鏈通信
圖 3：線(xiàn)性總線(xiàn)拓撲
選擇拓撲后，為了實(shí)現足夠的驅動(dòng)器響應時(shí)間，需要考慮帶寬、時(shí)序和延遲要求。響應時(shí)間可以根據規定的數據幀大小確定需要哪種支持實(shí)時(shí)通信的通信協(xié)議。通信接口的帶寬要求也會(huì )受到以下方面決定的影響：如何在分散式電機驅動(dòng)器、集中式和外部機器人運動(dòng)控制器之間拆分電機控制算法，從而最大限度地減小節點(diǎn)之間所需的通信幀大小。
通常，通信系統的最低帶寬要求約為 8Mbit。但是，隨著(zhù)設計趨勢的發(fā)展變化，這些趨勢表明對系統診斷和安全功能的要求在不斷提高。
根據系統要求，人形機器人系統中通常使用的通信接口基于 CAN-FD 或以太網(wǎng)（包括 EtherCAT）。TI 提供物理層 (PHY) 收發(fā)器和嵌入式處理器，旨在支持這些通信協(xié)議。
CAN 收發(fā)器和以太網(wǎng) IC 是人形機器人系統開(kāi)發(fā)中使用的器件。
位置檢測
人形機器人在運動(dòng)時(shí)，必須接收電機位置數據以定義路徑規劃。位置數據可實(shí)現人形機器人受控的移動(dòng)。為了以高精度實(shí)現受控移動(dòng)，機器人必須配備轉子位置傳感器以在電機上捕獲信息，并能夠通過(guò)電機驅動(dòng)器高效地將信息傳遞到中央處理計算機。根據所需的電機精度，使用多種轉子位置傳感器。下面是一些最常用的編碼器：
· 光學(xué)編碼器
· 磁性編碼器
· 增量編碼器
· SIN/COS 旋轉變壓器
這些編碼器具有不同的接口來(lái)連接至驅動(dòng)器并提供轉子角度數據，在進(jìn)行位置控制時(shí)需要使用這些數據。這些接口需要特定的硬件，因此電機控制處理器至少需要支持以下編碼器配置之一：
· 專(zhuān)用串行接口，如 BiSS、Endat、Hiperface 或其他數字絕對編碼器
· 具有采樣保持功能且適用于旋轉變壓器接口的 ADC 轉換器
· 增量編碼器的正交編碼器脈沖
· 用于接合磁性編碼器的串行接口
一個(gè)電機可能需要多個(gè)編碼器，具體取決于電機和電機傳動(dòng)裝置的實(shí)現方式。TI 提供模擬和處理器 IC 來(lái)實(shí)現編碼器接口系統。在位置感測方法中使用了 RS-485 和 RS-422 收發(fā)器以及多軸線(xiàn)性和角度位置傳感器。
電機類(lèi)型
由于人形機器人用電池供電，因此電機驅動(dòng)器旨在更大限度地提高效率，從而延長(cháng)機器人的工作時(shí)間范圍。
當使用高功率級別時(shí)，人形機器人可以集成 PMSM 之類(lèi)的電機。有刷直流電機可用于一些低功耗情況，例如手部控制和手指控制。但是，當前的設計趨勢表明，所有電機未來(lái)都將是無(wú)刷式電機。
PMSM 電機有兩種繞組選擇：梯形繞組或正弦繞組。對繞組和控制算法的選擇會(huì )影響電機控制的精確度。
電機設計的另一個(gè)關(guān)鍵要素是更快地切換 FET，這樣就可以使用能提高電機單位重量扭矩的新設計選項。
電機控制算法
選擇電機類(lèi)型后，用戶(hù)可以確定控制電機的方法。實(shí)現控制回路有多種備選方法，但電機控制通常與圖 4 中所示類(lèi)似，其中顯示了所需的模擬子系統和處理器外設。
圖 4：機器人控制的實(shí)時(shí)通信時(shí)序需求
使用圖 4 作為通用模板，表 1 列出了在選擇算法 FOC 或阻塞換向時(shí)所需的外設和性能。
表 1：電機控制類(lèi)型的外設和電路需求
TI 具有許多不同的 MCU，可滿(mǎn)足算法和角度傳感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和實(shí)現高性能驅動(dòng)系統的實(shí)時(shí)能力。在電機控制算法中使用了 C2000 實(shí)時(shí)微控制器和基于 ARM 的微控制器。
功率級要求
根據機器人的驅動(dòng)器位置，功率級別在 10W 至 4kW 之間變化，大多數驅動(dòng)器在 10W 至 1.5kW 之間。
驅動(dòng)器通常在低于 60V 的 SELV 電壓范圍內工作。因此，組件必須在最高達 60V 的電壓下工作。對于放大器、FET 和柵極驅動(dòng)器，為了減輕系統中潛在噪聲的影響，最好使用最高可在 100V 電壓下運行的元件。在定義驅動(dòng)器的電氣規格后，還有其他設計注意事項。
可用于實(shí)現印刷電路板 (PCB) 的物理尺寸是另一個(gè)設計注意事項。小尺寸 IC 和高度優(yōu)化的功率密度設計對于實(shí)現小空間設計目標至關(guān)重要。高功率密度會(huì )導致機器人的潛在溫度限制，在該限制下機器人的外部不得高于 55°C。在 55°C 時(shí)，在 30 秒內會(huì )發(fā)生全厚度皮膚灼傷。溫度管理方法不得包括風(fēng)扇或液體等額外冷卻方式。
溫度管理和空間的平衡促成功率級相對于單位尺寸瓦特數的平衡，這會(huì )影響功率級架構?？赡苄枰鉀Q的一個(gè)問(wèn)題是，確定功率級是否需要在更高的頻率下工作。這一問(wèn)題通常出現在 MosFET 中，但與基于 MosFET 的系統相比，GaN FET 等新技術(shù)也可提高開(kāi)關(guān)性能。對于溫度敏感型系統，與 MOSFET 技術(shù)相比，GaN FET 具有更高的理論效率，因為其開(kāi)關(guān)損耗非常低。頻率的增加會(huì )導致 MCU 需要額外的功能，這樣才能支持以足夠高的分辨率實(shí)現更高頻率開(kāi)關(guān)所需的信號發(fā)送。
TI MOSFET 柵極驅動(dòng)器讓客戶(hù)能夠以盡可能高的速度開(kāi)關(guān) MOSFET，而 TI 低壓 GaN FET 讓客戶(hù)能夠快速比較和考慮機器人中每個(gè)位置的最佳 FET 類(lèi)型。
需要使用高性能 MosFET 或 GaN FET 來(lái)實(shí)現驅動(dòng)器，從而提高電機效率。精密算法有助于減少電機 FET 的開(kāi)關(guān)需求和損耗。
人形機器人由電池供電，供電電壓通常為 48V，或者在 39V 至 54V 之間，具體取決于電池的電量狀態(tài)。使用的電壓取決于所設定的最小電池電量級別。前面提到，驅動(dòng)器在 39V 時(shí)所需的最大功率為 4kW，可以看出，機器人驅動(dòng)器需要在大約 102Arm 的電流下以最高效率工作來(lái)提供所需的功率，但同時(shí)考慮到 0A 左右的精確測量，在這里縮短 FET 的死區時(shí)間還有利于 0A 左右電流測量的線(xiàn)性，讓測量在低電流下更加精確。
在評估功率級要求和選擇適當的電流檢測器件以實(shí)現所需的性能水平時(shí)，電流檢測也是一個(gè)重要的設計考慮因素。
TI 提供同相電流感測和低側電流感應模擬選項，以及有關(guān)如何高效實(shí)現系統的設計指南。通常使用同相電流感測，以便始終能夠檢測電流并提高測量的精度。有三種不同的電流測量選項：
表 2：適用于同相電流測量的典型同相電流感測選項
對于電流感測放大器和 Δ-Σ 調制器，由于組件改進(jìn)，這些技術(shù)所用的電流電平緩慢地移動(dòng)到 100A 左右。
· 電流傳感放大器
· Δ-Σ 調制器
· 霍爾傳感器
· GaN Fet 功率級
· 柵極驅動(dòng)器
功能安全
在規劃未來(lái)的設計時(shí)，選擇能夠簡(jiǎn)化功能安全認證的器件非常重要。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 標準闡明了未來(lái)對人形機器人的預期。兩種 C 類(lèi)標準（ISO 10218 和 ISO 3691-4）都參考了 ISO 13849，規定系統必須是 PLd。但是，ISO 3691-4 將架構交給實(shí)現者來(lái)確定，而 ISO 10218 則要求 CAT3 架構?？紤]到這些標準中的最糟糕情況，至少需要考慮人形機器人的 CAT3 PLD 安全注意事項。實(shí)現 CAT3 系統時(shí)，必須采用圖 5 所示的安全架構。
圖 5：IEC13849-1:2015 中的插圖 圖 10
TI 提供的很多器件都具有詳盡的安全文檔，能夠幫助客戶(hù)構建安全型系統。
示例系統
圖 6 中的框圖顯示了建議解決方案，以使用 TI 組件解決 1.5kW 系統設計問(wèn)題，下面示出了具體可以使用的元件。
圖 6：示出實(shí)現系統可能所需器件的電機驅動(dòng)器解決方案
有關(guān)更多器件信息，請參考以下 TI 設計和 EVM，以查看系統級性能結果：
· TIDA-010936
· TIDA-010956
· LAUNCHXL-F28P65X
· DP83TC812-IND-SPE-EVM
· TIDA-060040
總結
設計人形機器人驅動(dòng)器需要精準、靈活和創(chuàng )新。德州儀器 (TI) 提供了全面的集成電路產(chǎn)品系列，讓工程師能夠滿(mǎn)足各種設計規格，從而構建能夠與機器人環(huán)境順暢交互的機器人。憑借豐富的評估模塊、參考設計和符合安全標準的器件，TI 簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，有助于縮短上市時(shí)間并安心地獲得功能安全認證。與 TI 攜手，打造更智能、更快速、更安全的機器人，讓您的愿景變成現實(shí)。
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