双核高安全性机器人控制MCU/DSP，具备‘两大脑+两小脑’架构的极海G32R501

在机器人技术迅猛发展的当下，控制芯片作为机器人系统的核心大脑，需同时具备微控制器（MCU）的通用计算能力和数字信号处理器（DSP）的高效信号处理能力，以应对复杂运动控制、高精度感知、快速动态响应和严格功能安全的多样化需求。珠海极海半导体推出的G32R501芯片，基于Arm Cortex-M52双核架构，融合了MCU的逻辑控制和DSP的实时信号处理功能，通过其独特的“两大脑+两小脑”设计、高安全机制和硬件加速能力，为机器人控制系统提供了卓越的性能和可靠性。2025年5月12日，第十五届松山湖中国IC创新高峰论坛在东莞市松山湖凯悦酒店盛大召开，汇聚了众多集成电路领域的专家与企业代表，共同探讨中国IC产业的创新路径。珠海极海半导体实时控制产品线高级经理卢鹏升先生受邀发表演讲，主题为《G32R501：高性能、高安全的机器人MCU/DSP》。他详细介绍了G32R501的突破性设计，展现了极海半导体在高端机器人控制领域的技术领先性和市场竞争力。

G32R501：机器人控制系统的技术核心

现代机器人控制系统面临着高爆发力、高动态性、高精度和高安全性的四大挑战。高爆发力要求芯片运行复杂控制算法并瞬时输出大功率；高动态性要求快速响应变化的控制任务；高精度要求精确感知和执行；高安全性则需确保系统在复杂环境下的可靠运行。G32R501作为一款专为实时控制设计的芯片，通过其“两大脑+两小脑”双核架构、紫电数学指令扩展单元和高安全机制，完美应对这些需求，成为机器人控制领域的技术标杆。

G32R501采用Arm Cortex-M52双核架构，结合极海自研的紫电数学指令扩展单元，实现了高效的并行处理能力。其核心设计理念是“两大脑+两小脑”，其中“两大脑”指双核处理器，一个核专注于电机控制，确保实时性和稳定性；另一个核负责数据处理、故障诊断和系统监控，提升系统灵活性。“两小脑”则是指两个专用运算单元，针对电机和电源控制算法进行了深度优化，能够在单周期或双周期内完成复杂运算，相较传统单核架构效率大幅提升。卢鹏升强调，这一架构基于客户需求，综合考虑了性能、工作温度、可靠性和成本，能够适配汽车底盘125℃或机器人控制系统105℃以上的苛刻环境。“两大脑+两小脑”设计通过任务分担和专用运算单元的协同，不仅提升了计算效率，还降低了系统功耗，为G32R501在高性能场景中构筑了核心竞争优势。紫电数学指令扩展单元作为极海的独家创新，支持矢量控制和场定向控制（FOC）等复杂算法的高效执行，进一步强化了芯片在实时控制中的技术护城河。

在感知能力方面，G32R501集成了高精度模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），支持高精度电流测量和多种位置接口（如CP口和CAP口），确保机器人能够精准感知外部环境。芯片支持5纳秒的PRD模式和150皮秒的高性能模式，能够快速响应动态控制任务，满足高精度运动控制的需求。内置的高精度DAC比较器为故障诊断和实时保护提供了硬件支持，增强了系统的可靠性。针对协作机器人等场景中常见的编码er失效问题，G32R501内置观测器，通过算法推算位置和速度，确保系统在编码器失效时仍能安全运行。这种无感控制方案通过硬件与算法的深度结合，不仅提升了控制精度，还显著增强了系统鲁棒性，为客户提供了独特的安全保障。

安全性是G32R501的核心护城河。芯片内置代码安全保护模块，防止第三方读取客户代码，有效保护知识产权，同时支持安全加密启动，满足机器人系统对数据安全的高要求。G32R501通过了IEC 61508 SIL2硬件级别认证，结合软件诊断和STL库，系统级功能安全可达到CL3最高标准。此外，芯片通过AEC-Q100 Grade 1认证，能够在125℃高温环境下稳定运行，适应机器人高爆发场景带来的温升挑战。这种将功能安全与高温可靠性深度融合的设计，使G32R501在无人驾驶、协作机器人等安全敏感场景中具有无可比拟的优势。

G32R501集成了Arm Helium矢量扩展技术，大幅提升了机器学习矢量运算性能。结合紫电数学指令扩展单元，芯片能够在单周期或双周期内完成复杂算法运算，相较传统总线方式效率提升数倍。卢鹏升特别提到，紫电数学指令通过硬件加速实现了高效的电机控制算法，显著降低了运算周期数。相较德州仪器C2000系列，G32R501在相同代码条件下实现翻倍实时性能，尤其在从数据采集到算法执行再到控制输出的全链路性能上表现出色。这种优势源于M52内核的实时控制优化和极海对指令级扩展的创新设计，为芯片在高端应用场景中构筑了坚实的技术壁垒。

性能验证与应用实践：超越TI F2800xx

为验证G32R501的性能，极海半导体开发了准量产级高压伺服控制器参考设计，并在六轴机械臂应用中进行了全面测试。测试结果显示，G32R501在多项关键指标上显著优于现有方案。芯片实现了90%的惯量比提升，展现了卓越的动态响应能力；在3000rpm高速运行条件下，转速波动较原有方案大幅降低，体现了高精度控制能力；系统极限频率提升了1.3倍，运算效率显著提高；伺服控制预算时间从40微秒缩短至17微秒，极大优化了实时性能。单核快速电流环达到0.76微秒，优于TI C2000系列，证明了其在高性能运动控制中的领先地位。这些数据为客户提供了从传统方案升级到高性能控制的可靠路径。

G32R501的实际应用展现了其强大适应性。芯片支持一颗芯片控制两个电机，显著减小控制器体积，为紧凑型机器人设计提供了便利。其无感高精度控制方案通过内置观测器实现位置和速度的算法推算，确保系统在编码器失效时仍能安全运行。这一功能在协作机器人中尤为关键，能够降低故障风险，保障操作安全。极海半导体与工业领域头部客户建立了深度合作，其编码器解码芯片在市场中占据较高份额，超声波雷达芯片也在汽车和机器人领域实现量产。G32R501的协处理接口设计降低了双核间通信开销，进一步提升了系统效率，为客户提供了高性能与低功耗的平衡解决方案。这种全链路优化能力，使G32R501在机器人控制单元、电机专用SoC和编码器解码芯片等场景中得到了广泛应用。

极海半导体通过“芯片+算法+参考设计”的一站式平台，为客户提供了全面支持。这一模式降低了开发门槛，加速了产品上市进程。卢鹏升提到，G32R501的参考设计已应用于六轴机械臂等实际项目，客户反馈表明其在动态响应、控制精度和系统稳定性方面均实现了显著提升。这种全链路支持能力，结合G32R501的“两大脑+两小脑”架构和紫电数学指令扩展单元，构成了极海半导体在机器人控制市场中的核心护城河。

结语

在演讲的最后，卢鹏升预告了极海半导体的两款新品，展现了公司在技术创新上的持续投入。APM32F427工业级高性能MCU在运算性能和实时控制能力上达到国内领先水平，有望进一步巩固极海在工业控制领域的竞争优势。G32R430编码器解码专用MCU集成高精度ADC，专为高精度编码器解码设计，将在机器人和自动化设备中实现更广泛的应用。这些新品的发布表明，极海半导体正通过技术创新不断拓展产品线，满足多样化的市场需求。

G32R501的“两大脑+两小脑”双核架构、Helium矢量扩展及紫电数学指令扩展单元，为国产控制芯片注入了强大的实时处理和机器学习能力，满足了数字电源、机器人及高性能运动控制等高端应用场景的需求。这款芯片以其高性能、高安全性和独特的设计，构筑了极海半导体在机器人控制市场的技术护城河，不仅代表了公司在技术创新上的重大突破，也为中国集成电路行业在全球高端市场的竞争注入了新的动能。借助松山湖论坛这一平台，极海半导体的技术成果和未来愿景得到了充分展示，为推动国产IC产业的发展增添了亮眼的一笔。