從科幻走入現(xiàn)實(shí)，人形機(jī)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(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)算法、更高速的通信架構(gòu)、更智能的環(huán)境感知能力......這些變革正在重塑機(jī)器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。

歡迎來(lái)到《人形機(jī)器人專(zhuān)題》我們將為大家?guī)?lái)四篇系列文章從不同方面對(duì)人形機(jī)器人進(jìn)行知識(shí)解析，本文將聚焦人形機(jī)器人中的電機(jī)控制。

引言

制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對(duì)更高自動(dòng)化水平的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了人形機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。人形機(jī)器人變得更加復(fù)雜和精確，自由度 (DOF) 變得更高，并且對(duì)周?chē)h(huán)境的響應(yīng)時(shí)間（按毫秒計(jì)）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(jī)器人的典型電機(jī)和運(yùn)動(dòng)功能。

圖 1：顯示人形機(jī)器人 DOF 變得更高的位置

具有更高的 DOF 意味著人形機(jī)器人需要更多的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。機(jī)器人設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器位置決定了不同的驅(qū)動(dòng)器要求。部分關(guān)鍵規(guī)格是：

· 通信接口架構(gòu)

· 位置感測(cè)

· 電機(jī)類(lèi)型

· 電機(jī)控制算法

· 功率級(jí)要求

· 電子電路尺寸

· 功能安全注意事項(xiàng)

目前，雖然針對(duì)協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有規(guī)定人形機(jī)器人功能安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。隨著需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將來(lái)會(huì)為人形機(jī)器人規(guī)定安全要求。在規(guī)定安全要求之前，人形機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)查，從而在將來(lái)盡可能減少因重新設(shè)計(jì)所帶來(lái)的工作。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 可以闡明未來(lái)的預(yù)期。

通信接口架構(gòu)

鑒于驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的位置，因此優(yōu)化與所有驅(qū)動(dòng)器的通信，同時(shí)最大限度地減少布線(xiàn)數(shù)量非常重要。實(shí)現(xiàn)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?fù)?，如圖 2 和圖 3 所示。

圖 2：菊花鏈通信

圖 3：線(xiàn)性總線(xiàn)拓?fù)?/p>

選擇拓?fù)浜?，為了?shí)現(xiàn)足夠的驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間，需要考慮帶寬、時(shí)序和延遲要求。響應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)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(jī)驅(qū)動(dòng)器、集中式和外部機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器之間拆分電機(jī)控制算法，從而最大限度地減小節(jié)點(diǎn)之間所需的通信幀大小。

通常，通信系統(tǒng)的最低帶寬要求約為8Mbit。但是，隨著設(shè)計(jì)趨勢(shì)的發(fā)展變化，這些趨勢(shì)表明對(duì)系統(tǒng)診斷和安全功能的要求在不斷提高。

根據(jù)系統(tǒng)要求，人形機(jī)器人系統(tǒng)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(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中使用的器件。

位置檢測(cè)

人形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須接收電機(jī)位置數(shù)據(jù)以定義路徑規(guī)劃。位置數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人受控的移動(dòng)。為了以高精度實(shí)現(xiàn)受控移動(dòng)，機(jī)器人必須配備轉(zhuǎn)子位置傳感器以在電機(jī)上捕獲信息，并能夠通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器高效地將信息傳遞到中央處理計(jì)算機(jī)。根據(jù)所需的電機(jī)精度，使用多種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器

這些編碼器具有不同的接口來(lái)連接至驅(qū)動(dòng)器并提供轉(zhuǎn)子角度數(shù)據(jù)，在進(jìn)行位置控制時(shí)需要使用這些數(shù)據(jù)。這些接口需要特定的硬件，因此電機(jī)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(shù)字絕對(duì)編碼器

· 具有采樣保持功能且適用于旋轉(zhuǎn)變壓器接口的 ADC 轉(zhuǎn)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(jī)可能需要多個(gè)編碼器，具體取決于電機(jī)和電機(jī)傳動(dòng)裝置的實(shí)現(xiàn)方式。TI 提供模擬和處理器 IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼器接口系統(tǒng)。在位置感測(cè)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(jī)類(lèi)型

由于人形機(jī)器人用電池供電，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器旨在更大限度地提高效率，從而延長(zhǎng)機(jī)器人的工作時(shí)間范圍。

當(dāng)使用高功率級(jí)別時(shí)，人形機(jī)器人可以集成 PMSM 之類(lèi)的電機(jī)。有刷直流電機(jī)可用于一些低功耗情況，例如手部控制和手指控制。但是，當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)表明，所有電機(jī)未來(lái)都將是無(wú)刷式電機(jī)。

PMSM 電機(jī)有兩種繞組選擇：梯形繞組或正弦繞組。對(duì)繞組和控制算法的選擇會(huì)影響電機(jī)控制的精確度。

電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)單位重量扭矩的新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

電機(jī)控制算法

選擇電機(jī)類(lèi)型后，用戶(hù)可以確定控制電機(jī)的方法。實(shí)現(xiàn)控制回路有多種備選方法，但電機(jī)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(tǒng)和處理器外設(shè)。

圖 4：機(jī)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(shè)和性能。

表 1：電機(jī)控制類(lèi)型的外設(shè)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(xiàn)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力。在電機(jī)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(jí)要求

根據(jù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器位置，功率級(jí)別在 10W 至 4kW 之間變化，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器在 10W 至 1.5kW 之間。

驅(qū)動(dòng)器通常在低于 60V 的 SELV 電壓范圍內(nèi)工作。因此，組件必須在最高達(dá) 60V 的電壓下工作。對(duì)于放大器、FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器，為了減輕系統(tǒng)中潛在噪聲的影響，最好使用最高可在 100V 電壓下運(yùn)行的元件。在定義驅(qū)動(dòng)器的電氣規(guī)格后，還有其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

可用于實(shí)現(xiàn)印刷電路板 (PCB) 的物理尺寸是另一個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。小尺寸 IC 和高度優(yōu)化的功率密度設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)小空間設(shè)計(jì)目標(biāo)至關(guān)重要。高功率密度會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的潛在溫度限制，在該限制下機(jī)器人的外部不得高于 55°C。在 55°C 時(shí)，在 30 秒內(nèi)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(jí)相對(duì)于單位尺寸瓦特?cái)?shù)的平衡，這會(huì)影響功率級(jí)架構(gòu)?？赡苄枰鉀Q的一個(gè)問(wèn)題是，確定功率級(jí)是否需要在更高的頻率下工作。這一問(wèn)題通常出現(xiàn)在MosFET中，但與基于 MosFET 的系統(tǒng)相比，GaN FET 等新技術(shù)也可提高開(kāi)關(guān)性能。對(duì)于溫度敏感型系統(tǒng)，與 MOSFET 技術(shù)相比，GaN FET具有更高的理論效率，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)損耗非常低。頻率的增加會(huì)導(dǎo)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(xiàn)更高頻率開(kāi)關(guān)所需的信號(hào)發(fā)送。

TI MOSFET 柵極驅(qū)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(jī)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(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，從而提高電機(jī)效率。精密算法有助于減少電機(jī) FET 的開(kāi)關(guān)需求和損耗。

人形機(jī)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(shè)定的最小電池電量級(jí)別。前面提到，驅(qū)動(dòng)器在 39V 時(shí)所需的最大功率為 4kW，可以看出，機(jī)器人驅(qū)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(cè)量，在這里縮短 FET 的死區(qū)時(shí)間還有利于 0A 左右電流測(cè)量的線(xiàn)性，讓測(cè)量在低電流下更加精確。

在評(píng)估功率級(jí)要求和選擇適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電流檢測(cè)器件以實(shí)現(xiàn)所需的性能水平時(shí)，電流檢測(cè)也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。

TI 提供同相電流感測(cè)和低側(cè)電流感應(yīng)模擬選項(xiàng)，以及有關(guān)如何高效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南。通常使用同相電流感測(cè)，以便始終能夠檢測(cè)電流并提高測(cè)量的精度。有三種不同的電流測(cè)量選項(xiàng)：

表 2：適用于同相電流測(cè)量的典型同相電流感測(cè)選項(xiàng)

對(duì)于電流感測(cè)放大器和Δ-Σ 調(diào)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(diào)制器

· 霍爾傳感器

· GaN Fet 功率級(jí)

· 柵極驅(qū)動(dòng)器

功能安全

在規(guī)劃未來(lái)的設(shè)計(jì)時(shí)，選擇能夠簡(jiǎn)化功能安全認(rèn)證的器件非常重要。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 標(biāo)準(zhǔn)闡明了未來(lái)對(duì)人形機(jī)器人的預(yù)期。兩種 C 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10218 和 ISO 3691-4）都參考了 ISO 13849，規(guī)定系統(tǒng)必須是 PLd。但是，ISO 3691-4 將架構(gòu)交給實(shí)現(xiàn)者來(lái)確定，而 ISO 10218 則要求 CAT3 架構(gòu)。考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)中的最糟糕情況，至少需要考慮人形機(jī)器人的 CAT3 PLD 安全注意事項(xiàng)。實(shí)現(xiàn) CAT3 系統(tǒng)時(shí)，必須采用圖 5 所示的安全架構(gòu)。

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(gòu)建安全型系統(tǒng)。

示例系統(tǒng)

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(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，下面示出了具體可以使用的元件。

圖 6：示出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可能所需器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案

有關(guān)更多器件信息，請(qǐng)參考以下 TI 設(shè)計(jì)和 EVM，以查看系統(tǒng)級(jí)性能結(jié)果：

· TIDA-010936

· TIDA-010956

· LAUNCHXL-F28P65X

· DP83TC812-IND-SPE-EVM

· TIDA-060040

總結(jié)

設(shè)計(jì)人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要精準(zhǔn)、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(shè)計(jì)規(guī)格，從而構(gòu)建能夠與機(jī)器人環(huán)境順暢交互的機(jī)器人。憑借豐富的評(píng)估模塊、參考設(shè)計(jì)和符合安全標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證。與 TI 攜手，打造更智能、更快速、更安全的機(jī)器人，讓您的愿景變成現(xiàn)實(shí)。