微控制器在提高机器人电机控制设计中的系统性能方面发挥的作用

机器人系统自动执行重复性任务，执行复杂或耗电的运动，并且可以在对人类危险或有害的环境中执行任务。更高集成度、更高性能的微控制器(MCU)可提高能效，并以更高的精度实现更平稳、更安全的操作，从而提高生产率和自动化程度。例如，在涉及激光焊接、精密喷漆、喷墨打印和3D打印的应用中， 0.1 毫米以内的精度有时至关重要。

最终，机器人手臂中的轴数量和所需的控制架构类型(集中式或分布式)将决定系统合适的微控制器或电机控制集成电路(IC) 。现代工厂使用不同类型的机器人，这些机器人具有不同数量的轴以及在x、y和z平面上不同的运动和旋转范围，以处理不同的制造阶段。因此，整个工厂车间混合了不同的控制架构。

选择微控制器时，重要的是选择具有性能改进空间、未来可扩展并允许附加功能的微控制器。规划可扩展性和添加功能，以减少设计过程的成本、时间和复杂性。

本文介绍了两种类型的电机控制架构：集中式和分布式(分散式)，并讨论了支持这些架构的集成实时微控制器的设计注意事项。

集中式架构

集中式系统使用一个微控制器来控制多个轴。当处理需要大型散热器和冷却风扇的大功率电机驱动器(通常为2-3kW或更大)的散热时，这种方法非常有用。在此架构中，位置数据通常通过旋转变压器板或连接到编码器的聚合器从外部获取。

图1：多轴系统的集中式电机控制架构框图。

这种架构通常在同一个PCB上或非常接近的地方具有多个输出级，从而允许单个微控制器控制多个轴。使用这种方法，可以轻松实现多轴之间的实时控制和同步，因为多个电机控制微控制器之间不需要长通信线路。

集中式架构的电机控制微控制器/MPU主要需要R5F内核和DSP等高性能实时处理内核、 EtherCAT等实时通信接口、足够数量的PMW通道以及用于电压和电流感测的外设。 Am243x等微控制器有助于实现可扩展的多轴系统，在单芯片上提供多达六轴的实时控制外设和实时通信。

传统上，自动化系统中的集中式电机控制主要依赖于FPGA或ASIC设备。然而，最近，基于ARM Cortex 的现代微控制器(例如AM243x)变得越来越流行。这些高度集成、经济高效的微控制器使设计人员能够实现设计可扩展性和灵活性，同时满足系统性能要求。

集中控制架构可以满足高功率自动化系统的性能和效率设计要求，例如具有大有效负载的工业机器人，但它们也需要添加电缆。这些电线不仅增加了成本，而且还会磨损并需要维护。

分散式或分布式架构

分散式或分布式架构(图2)最近在低功耗要求的系统中变得流行，并已成为协作机器人( cobot )操纵器的标准方法。

图2：单轴系统分散式电机控制架构框图。

分散式架构在机器人内的每个连接点集成了多个单轴电机驱动器，并通过EtherCAT等实时通信接口连接和同步电机驱动器。每个驱动器通常控制一个轴并在本地处理特定的安全功能。因此，每个 MCU 都需要具有实时控制和通信功能、一轴电机控制外设、三到六个PWM通道、片上SAR(逐次逼近)A/D转换器或 Delta-Sigma 调制器输入。

在这些应用中，位置传感器通常位于微控制器旁边，因此这些微控制器需要数字或模拟接口来从位置传感器读取数据。尽管这种架构需要多个微控制器，但它可以在系统级显着节省成本，因为它需要更少的电源总线和通信接口之间的布线。现代实时 MCU(例如F28P65x)内置了所有必要的外设以及安全外设。这使得小型、高性能的单芯片或两芯片解决方案能够集成到分散式架构中。

概括

在机器人领域，电机并没有引起太多关注，特别是与人工智能系统相比，但它们是维持工厂运转的“肌肉”。电机可以被认为是现代制造现场最重要的部分，值得花时间考虑选择正确的控制设备。此外，这些设备的集成度越来越高，允许将边缘计算和无线连接等附加功能纳入电机控制设计中。