高性能MCU 在机器人电机控制中的应用案例解析

发布时间：2024-06-6 阅读量：2085 来源: 我爱方案网作者: bebop

在自动化工厂中，机器人可自动执行重复性任务，承担复杂而费力的作业，并在对人类有危险或有害的环境中工作。机器人通常会采用集成度更高、性能更强的微控制器 (MCU) 作为主控，以实现更高的功率效率、更平稳安全的运动以及更高的精度，从而提高生产力和自动化水平。例如，更高的精度（有时在 0.1mm 以内）对于处理激光焊接、精密涂层或喷墨或 3D 打印的应用非常重要。

在选择 MCU 时，选择具有额外性能余量的 MCU 能够在未来实现可扩展性和支持附加功能。在设计过程中，提前规划可扩展性和附加功能也可以节省成本和时间，降低复杂性。

如今的机器人电机控制系统中经常用到的是分散式架构，通过将多个单轴电机驱动集成到机器人的每个关节中，并通过 EtherCAT 等实时通信接口进行连接和同步。通常每个驱动控制一个轴，并在本地处理某些安全功能。因此，每个 MCU 都需要实时控制和通信功能、单轴电机控制外设、三到六个 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模数转换器或 Δ-Σ 调制器输入。

在这些应用中，位置传感器通常靠近 MCU ，因此这些 MCU 需要一个数字或模拟接口来读取位置传感器的数据。虽然这种架构需要更多的 MCU，但由于电源总线和通信接口之间的布线需求较少，因此可以大幅降低系统级成本。现代实时 MCU不仅集成了所有必要的外设，还集成了安全外设，从而为分散式架构中的集成轴提供单芯片或双芯片解决方案，并以较小的尺寸实现高性能。

以下将介绍一些基于高性能、高实时性MCU的机器人电机控制案例及其技术实现方式，以作参考。

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案例一：直线旋转执行器方案

方案介绍：

方案基于 HPM6200 系列高性能多核处理器，专门满足半导体行业在高节拍、高精度Z轴、高精度力控以及高稳定性等方面有严格要求。该方案采用新一代的氮化镓 (GaN) 作为核心驱动，结合 HPM6200 系列的皮秒级高精度定时器和卓越计算性能，大幅提升了电流环带宽并降低电流纹波。双核架构设计使一核运行 RTOS 来处理应用和通信，另一核通过裸机协程控制电机，实现 100kHz 以上的高频率驱控合一。高实时性通信和高频电机控制互不干扰，在单芯片上实现最优的解耦，使 EtherCAT 通信周期在低于 100 微秒间隔的情况下保持极低抖动，完全不影响控制带宽。

应用场景：

半导体封测、芯片贴装、3C精密装配

方案优势：

1. 先进的硬件技术：机器人的驱动器采用了最先进的氮化镓 (GaN) 半导体技术和 600MHz 主频的双核处理器，在提升功率的同时减小体积，降低电流纹波，显著提高性能和实时性。这种硬件组合使其在性能和成本效益方面均优于其他解决方案。

2. 尖端软件算法：通过引入先进的阻抗和导纳控制算法，实现精准的力控、快速响应和出色的稳定性，相比传统的软着陆技术表现更为卓越，在复杂的动态应用场景中具有更优性能。

3. 专属监控功能与精准适配：智能芯片提供绝对值信息、温度监控和各种安全报警，并采用专属通信协议以无缝连接到驱动器实时获取其监控数据，进一步提高系统的安全性和稳定性，在温度变化条件下确保最佳的力控精度。

4. 针对性设计与定制功能：驱动器针对半导体和 3C 末端任务特别设计，具备多种定制功能，包括高级力控算法，确保与 LA 和 LRA 本体的完美兼容，为特定应用场景提供最佳解决方案。

方案采用的主控先楫HPM6200是针对机器人开发行业推出的高性能、高实时性MCU，拥有3路16位ADC，可以支持2MHz的采样率，同时具备4通道Ʃ-Δ数字滤波;精准控制方面，HPM6200系列100 ps的PWM达到世界一流水平的调制精度，4组独立PWM可实现多路马达控制。

案例二：机械臂电动平行夹爪方案

先楫HPM6280芯片具备响应速度快、定位精度高等特点，能够实现高速、高精度的运动控制。HPM6280高性能MCU目前已应用于电动平行夹爪方案，方案内置FOC算法+H桥驱动芯片，以50K电流环频率实现4轴步进电机开环控制，步进电机速度>1200RPM，在工业机械臂场景，HPM6280 MCU能够迅速准确地完成各种复杂任务，提高工作效率和生产质量。

系统架构框图

方案优势

（1）高性能MCU，高达600MHz主频。

（2）控制<100PS，高精度PWM，有效优化GaN驱动音圈电机动态特性。

（3）RISC-V架构自研芯片，可满足国产自主可控要求，供应链稳定，超高性价比。

（4）高算力，大 SRAM，大 Flash，多路CAN FD，16bitADC(24路)。

应用场景

搬运机械臂、装配机械臂、焊接机械臂等场景。

案例三：特种机械臂主控方案

HPM6300 系列 MCU 是先楫推出的一款高性能、高实时、高性价比 RISC-V 内核的微控制器。HPM6300 系列提供 LQFP 和小体积 BGA 封装，简化用户板级设计，为工业自动化及边缘计算应用提供了丰富的算力和高效的控制能力。

系统架构框图

应用领域：

无人机、汽车惯性导航、铁路系统、工程车、机器人/无人车系统等。

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